Natrium-ion overtreft lithium: sneller opladen voor een fractie van de prijs

In dit artikel:

Onderzoekers van de Tokyo University of Science tonen met recent experimenteel werk aan dat natrium‑ion batterijen (SIBs) intrinsiek sneller kunnen laden dan de gangbare lithium‑ion batterijen (LIBs). De studie, gepubliceerd in Chemical Science, vergelijkt direct de ladingssnelheden van natrium‑ en lithiumionen in hard carbon (HC), het veelgebruikte poreuze koolstofmateriaal voor de negatieve elektrode van SIBs. Hard carbon kan grote hoeveelheden natrium opnemen, waardoor SIBs energiedichtheden bereiken die in de buurt komen van commerciële LIBs.

Een belangrijke belemmering voor eerdere vergelijkingen was dat traditionele testopstellingen de prestaties onderschatten door concentratie‑overvoltage in dicht gepakte elektroden: ionen raken als het ware “verkeersopstoppingen” in het elektrolyt, waardoor de werkelijke snelheid van het materiaal niet goed zichtbaar is. Om dat te omzeilen ontwikkelde het team rond prof. Shinichi Komaba de zogenaamde diluted electrode method: hard carbondeeltjes worden gemengd met elektrochemisch inactief aluminiumoxide zodat individuele HC‑deeltjes omringd worden door een optimale ionenvoorraad. Hierdoor konden de onderzoekers de maximale sodiatie‑ en lithiatie‑snelheden zuiver meten.

Met technieken als cyclic voltammetry en elektrochemische impedantiespectroscopie bepaalden ze de apparente diffusiecoëfficiënt — een maat voor hoe snel ionen door het materiaal bewegen — en vonden consequent hogere waarden voor natrium dan voor lithium. Prof. Komaba stelt expliciet: “Onze resultaten tonen kwantitatief aan dat de ladingssnelheid van een SIB met een HC‑anode sneller kan zijn dan die van een LIB.” Chemische kinetische analyses wijzen erop dat het sleutelproces het pore‑filling‑mechanisme is: ionen vormen pseudo‑metallische clusters in de nanoporiën van hard carbon, en natrium vereist hiervoor minder activeringsenergie dan lithium. Dat verklaart niet alleen de hogere snelheid maar ook de grotere temperatuursstabiliteit van natrium.

De bevindingen hebben praktische implicaties. Natrium is veel overvloediger en goedkoper dan lithium, en SIBs blijken naast lagere kosten ook voordelen te bieden op het vlak van veiligheid en snel laden — eigenschappen die aantrekkelijk zijn voor elektrische voertuigen, power tools en andere toepassingen met hoge vermogensvraag. Hoewel LIBs momenteel nog de markt domineren, suggereren deze resultaten dat SIBs een serieuze concurrent vormen die zowel economische als technische voordelen kan bieden en mogelijk druk op de wereldwijde lithiumvoorziening kan verlichten.