IJzer lost hardnekkig probleem van natrium-ionbatterij op: energiedichtheid naar 206 Wh/kg

In dit artikel:

Onderzoekers van onder meer Nanjing University hebben een belangrijke beperking van natrium-ionbatterijen aangepakt met een kathode op basis van natrium, mangaan, magnesium en ijzer. Hun resultaten verschenen in Nature Energy.

Natrium-ionbatterijen zijn aantrekkelijk omdat natrium goedkoop en overvloedig is en de gebruikte materialen geen nikkel of kobalt bevatten. Ze slaan doorgaans echter minder energie per kilogram op. De onderzoekers benutten daarom lattice-oxygen redox, waarbij ook zuurstof in het kristalrooster elektronen uitwisselt. Die reactie kan de capaciteit verhogen, maar beschadigt normaal gesproken de kathode omdat de zuurstoftoestand tijdens het ontladen niet volledig herstelt.

IJzerionen fungeren in het nieuwe materiaal als elektronenshuttle. Fe4+ neemt tijdens het laden elektronen over van zuurstof, terwijl Fe2+ ze bij het ontladen teruggeeft. Daardoor steeg de omkeerbaarheid van de zuurstofreactie van 75 naar 99 procent. Een pouchcel met de kathode bereikte 206 Wh/kg en behield na honderd laad- en ontlaadcycli 87,8 procent van de oorspronkelijke capaciteit.

Die levensduurtest is nog te beperkt voor commerciële toepassing, maar de studie toont aan dat zuurstofredox niet onvermijdelijk ten koste gaat van de stabiliteit. Het ontwerpprincipe kan goedkope natrium-ionbatterijen vooral geschikt maken voor stationaire opslag van zonne- en windenergie, waar kosten, beschikbaarheid en veiligheid vaak belangrijker zijn dan een zo laag mogelijk gewicht.