Nya natriumbaserade solid-state-batterier kan ge snabbare laddning och högre kapacitet

Forskare vid Tysklands federala institut för materialforskning och testning (BAM) omkonstruerar solid state-batterier för att övervinna taket som nås av dagens litiumjonceller. Deras projekt handlar om en ny superjonisk natriumelektrolyt (NASICON) som kan ge snabbare laddning, längre livslängd och lägre kostnader utan att säkerheten äventyras.

Konventionella litiumjonbatterier bygger på grafitanoder som lagrar ett begränsat antal joner. Genom att byta till metalliskt litium - eller det billigare och mer rikliga natriumet - skulle energitätheten kunna ökas med upp till 40 procent. Haken är att fasta anoder behöver en fast elektrolyt, och det stela gränssnittet mellan de två bildar ofta hålrum som gör att batteriet inte fungerar. En delvis flytande anod kan lösa problemet med gränssnittet, men bara om hela systemet förblir stabilt.

BAM:s team, som leds av gästforskaren Gustav Graeber, har redan visat att en flytande alkalimetallanod kan leverera 100 gånger så hög effekt som grafit. Just nu är det dock först vid ca 250°C som den rekordhöga effekten uppnås. För att få ner tekniken till rumstemperatur tillsätter forskarna kalium för att sänka anodens smältpunkt. De flesta fasta elektrolyter bryts ned i kontakt med kalium, så elektrolyten blir den nya flaskhalsen.

NASICON-materialen bryter den återvändsgränden. De leder joner bra i omgivande förhållanden och tål kalium, särskilt när de är dopade med hafnium. Hafnium är dock sällsynt och dyrt. BAM-projektet undersöker därför dopämnen som finns i överflöd på jorden och som kan matcha hafniums stabiliserande effekt. De mest lovande sammansättningarna håller redan på att integreras och cyklas i prototyper av natriumceller.

Om sökandet lyckas kan natriumbaserade solid state-batterier flytta från labbet till vardagliga enheter och elfordon. Högre energitäthet skulle förlänga drifttiden, medan fasta elektrolyter skulle förbättra den inneboende säkerheten. Snabbare laddning och en leveranskedja som bygger på rikligt med natrium i stället för knappa litium- och koboltresurser skulle göra tekniken attraktiv även för lagring i elnätet - ett stegvis men betydelsefullt steg mot energisystem med lägre koldioxidutsläpp.