Den globala strävan efter hållbarhet kräver bättre och mer hållbara batterier för att stödja förnybara energisystem och allmänt förekommande elektroniska enheter.
Även om litiumjonbatterier (LIB) för närvarande är den självklara lösningen, kommer det i framtiden att krävas alternativ som bygger på material som är mer tillgängliga än litium. Eftersom natrium är rikligt förekommande och tillgängligt till låg kostnad är natriumjonbatterier (SIB) en ledande kandidat för att ersätta LIB samtidigt som de fortfarande uppfyller de globala energibehoven.
Hur hårt kol förbättrar batteriets prestanda
Nyckeln till SIB:s enastående prestanda ligger delvis i det material som används i den negativa elektroden, kallat hårt kol (HC). Denna lågkristallina, porösa typ av kol kan lagra stora mängder natrium, vilket gör att SIB kan uppnå energitätheter som är jämförbara med kommersiella LIB. Även om forskare tror att HC är ett snabbladdande material är det svårt att bevisa detta experimentellt.
Problemet är att konventionella batteritester ofta underskattar materialets verkliga laddningshastighet på grund av problem med koncentrationsöverspänning i kompositelektroden.
Enkelt uttryckt kan elektrodens täta kompositstruktur under snabb laddning orsaka ”jontrafikstockningar”, där jontransporten i elektrolyten begränsar reaktionshastigheten. Därför är den grundläggande laddningshastighetsgränsen för HC, liksom hur natriuminsättningshastigheten kan jämföras med litium, fortfarande oklar.
Innovativa forskningsmetoder och resultat
För att fylla denna kunskapslucka använde ett forskarteam under ledning av professor Shinichi Komaba, tillsammans med doktorand Yuki Fujii och biträdande professor Zachary T. Gossage från avdelningen för tillämpad kemi vid Tokyo University of Science i Japan, en innovativ metod för att avslöja de kinetiska gränserna för natrium- och litiuminföring i HC.
Deras arbete publicerades i tidskriften Chemical Science.
Forskarna använde en teknik som kallas ”utspädd elektrodmetod”. Den innebär att man skapar en elektrod som kombinerar både HC-partiklar och ett elektrokemiskt inaktivt material som aluminiumoxid. Med rätt proportioner säkerställer man att varje HC-partikel omges av en riklig tillgång på joner, vilket eliminerar de typiska jonöverföringsproblemen i elektrolyten och vid den negativa elektroden.
Med hjälp av denna metod kunde forskarna mycket effektivt mäta och jämföra de maximala hastigheterna för sodiering (natriuminsättning), litiuminterkalering och litiumering (litiuminsättning) i HC. Dessutom visade sodiering i utspädd HC-elektrod en jämförbar hastighetskapacitet med litiuminterkalering i utspädda grafitelektroder.
Resultaten gav tydliga och kvantitativa bevis för HC:s höga hastighetspotential. Genom detaljerade tester och analyser med cyklisk voltammetri, elektrokemisk impedansspektrometri och potentialstegskronoamperometri fann teamet att sodieringsprocessen i sig är snabbare än litiuminsättning för samma negativa elektrod.
Detta bekräftades genom beräkning av den uppenbara diffusionskoefficienten – ett mått på hur snabbt joner rör sig genom materialet – som generellt var högre för natrium än för litium.
Implikationer för framtida batteriteknik
”Våra resultat visar kvantitativt att laddningshastigheten för ett SIB-batteri med en HC-anod kan uppnå högre hastigheter än för ett LIB-batteri”, betonar professor Komaba.
Dessutom identifierade teamet exakt att det hastighetsbestämmande steget för hela laddningsprocessen är porfyllningsmekanismen, som inträffar när joner aggregerar för att bilda pseudometalliska kluster inom HC:s nanoporer.
Även om det inledande laddningsstadiet (adsorption/interkalering) visade sig vara mycket snabbt för båda jonerna, begränsas den totala reaktionshastigheten i slutändan av effektiviteten i porfyllningsprocessen. En detaljerad kemisk kinetisk analys visade att natrium kräver mindre energi än litium för att bilda dessa kluster, vilket hjälper till att förklara de observerade hastighetsfördelarna.
Genom att identifiera denna flaskhals ger denna studie en tydlig riktning för snabbare och mer energieffektiva batterikonstruktioner.
”En viktig punkt för att utveckla förbättrade HC-material för snabbladdningsbara SIB är att uppnå snabbare kinetik i porfyllningsprocessen så att de kan nås vid höga laddningshastigheter. Våra resultat tyder också på att natriuminsättning är mindre känslig för temperatur, baserat på att aktiveringsenergin är mindre än för litium”, förklarar professor Komaba.
Dessa resultat tyder på att SIB inte bara är ett billigare och säkrare alternativ till LIB, utan att de erbjuder verkliga prestandafördelar när det gäller laddningshastighet, vilket är särskilt relevant i hög effektapplikationer.
Dessutom kan SIB erbjuda en mer stabil drift än LIB. Ytterligare studier för att perfekta SIB kommer långsamt men säkert att bana väg för nya batteritekniker, vilket stödjer nuvarande strävanden att bygga hållbara samhällen.
Mer information: Yuki Fujii et al, Revealing the kinetic limits of sodiation and lithiation at hard carbon using the diluted electrode method, Chemical Science (2026). DOI: 10.1039/d5sc07762a
