Een nieuwe studie toont aan dat een commerciële natrium-ionbatterij geproduceerd door een Chinees bedrijf kan concurreren met de lithium-ionbatterij van Tesla op het gebied van productieconsistentie en meerdere belangrijke prestatie-indicatoren, waardoor perspectieven worden geopend voor deze goedkope nieuwe batterijtechnologie om de toepassing ervan in elektrische voertuigen en energieopslag op het elektriciteitsnet te versnellen. Het onderzoeksteam wees erop dat als er verdere doorbraken kunnen worden geboekt op het gebied van opladen bij lage temperaturen en energiedichtheid, natrium-ionbatterijen naar verwachting een kosteneffectiever alternatief zullen worden in elektrische voertuigen en grootschalige energieopslagsystemen.
De studie, gepubliceerd in Cell Reports Physical Science, een tijdschrift van Cell Press, is gebaseerd op een commerciële natrium-ionbatterij die is gebruikt in personenauto's en grootschalige energieopslagprojecten in China. De resultaten laten zien dat deze batterij, gelanceerd door het Chinese bedrijf Hina, dicht bij het niveau ligt van de lithium-ionbatterijen die momenteel door Tesla worden gebruikt in termen van uniformiteit van het productieproces en algemene prestaties. De onderzoekers geloven dat de ontdekking betekent dat de industrialisatie van natriumionentechnologie sneller zal verlopen dan velen in de industrie eerder hadden verwacht.
Moritz Schütte, een batterijonderzoeker van de RWTH Universiteit van Aken in Duitsland, zei dat de consistentie, de hoge prestaties en de prestaties bij lage temperaturen van deze reeks cellen ze aantrekkelijk maken voor stationaire energieopslag, ondersteunende diensten op het elektriciteitsnet en korteafstands- of commerciële voertuigen die relatief ongevoelig zijn voor duurzaamheidseisen, maar zich meer bezighouden met de kosten en het aanbod van hulpbronnen. Op materiaalniveau gebruikt de natriumionentechnologie natrium in plaats van lithium als het stroomvoerende kernion. Met de hulp van natrium, een wijdverspreid en overvloediger voorkomend element, wordt verwacht dat het de kosten van batterijgrondstoffen aanzienlijk zal verlagen en de risico's voor de toeleveringsketen op de lange termijn zal verlichten.
Om de kloof tussen deze Zhongke Hainan natrium-ionbatterij en Tesla's geavanceerde lithiumbatterij te evalueren, voerde het onderzoeksteam een systematische test uit op 120 cellen en gebruikte het niet-destructieve testmethoden zoals elektrochemische impedantiespectroscopie om hun productieconsistentie te evalueren. Het team testte vervolgens het vermogen en de energieopbrengst van de batterijcellen bij verschillende oplaadsnelheden en temperaturen variërend van -20 °C tot 45 °C onder omstandigheden die het echte gebruik simuleerden. Door middel van röntgenbeelden en demontageanalyse karakteriseerden de onderzoekers ook zorgvuldig de interne structuur van de batterij, de grootte van het poolstuk, de materiaalsamenstelling en de microscopische kenmerken.
De analyseresultaten laten zien dat het structurele ontwerp van de natrium-ionbatterij behoorlijk volwassen is, waarbij gebruik wordt gemaakt van ontwerpen zoals elektrodeloze oren en dubbele aluminium stroomcollectoren om de interne weerstand te verminderen en de uniformiteit van de temperatuurverdeling te verbeteren. De algehele lay-out komt sterk overeen met de huidige Tesla-batterijarchitectuur. Schütte verklaarde botweg dat het team "aangenaam verrast" was door de consistentie van deze partij cellen, in de overtuiging dat hun productieniveau de traditionele indruk van "de eerste commerciële natriumionproducten" ver overtrof. Bij hoge snelheden zijn de outputcapaciteiten van de natrium-ionbatterij ook beter dan onderzoekers doorgaans verwachten voor vroege commerciële producten.
Ondanks zijn indrukwekkende prestaties wijst onderzoek er ook op dat de natrium-ionbatterij nog steeds belangrijke tekortkomingen vertoont in vergelijking met de beste lithium-ionbatterijen. Wat het opladen bij lage temperaturen betreft, zijn de batterijprestaties nog steeds onvoldoende. Toepassingen die vaak opladen bij lage omgevingstemperaturen vereisen geavanceerdere strategieën en bedrijfsplannen voor thermisch beheer. Het onderzoeksteam ontdekte ook een abnormaal hoog en ongelijk verdeeld kopergehalte in lokale delen van de kathode, wat verdere vragen opriep over de rol ervan in prestaties op lange termijn en verouderingsgedrag.
Op dit moment lopen commerciële natrium-ionbatterijen qua energiedichtheid nog steeds achter op de meest geavanceerde lithium-ionproducten, en de volwassenheid van verwante technologieën is ook relatief laag. Onderzoek toont echter aan dat dit type batterij nog steeds goede prestaties kan leveren bij lage temperaturen en hoge belasting, waardoor het potentiële voordelen biedt bij stationaire energieopslag en voertuigtoepassingen die in koude gebieden werken. Schütte zei dat de aantrekkelijkheid van natriumionentechnologie in de toekomst verder zal worden vergroot als deze een concurrerende energiedichtheid kan behouden en tegelijkertijd de afhankelijkheid van metalen zoals nikkel en koper kan wegnemen.
In de volgende stap is het onderzoeksteam van plan zich te concentreren op het verbeteren van het laadgedrag van natrium-ionbatterijen in omgevingen onder 0°C om veiliger en efficiënter opladen onder strenge koude omstandigheden te bereiken. In termen van materiaalsystemen wordt het verbeteren van harde koolstofanode- en elektrolytformules als een van de meest veelbelovende richtingen beschouwd. Relevant onderzoek is gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Onderzoek, Technologie en Ruimtevaart en het federale ministerie van Economie en Energie, waaruit blijkt dat Europees wetenschappelijk onderzoek en overheidsdiensten nauwlettend letten op het potentieel van natriumionenroutes in het landschap van de volgende generatie batterijtechnologie.