מחקר על סוללות נתרן-יון נועד להפחית את ההסתמכות על יסודות נדירים ולצמצם עלויות, לשפר את ביצועי הסוללה עבור יישומים רחבים יותר. עם זאת, טעינה מהירה מציגה מתחים מכניים הפוגעים בשלמות המבנית ובאורך החיים של הסוללה.
הדמיות של מבנים מיקרו מדגימים השפעה משמעותית של דפורמציה אלסטית על מאפייני הטעינה של תחמוצות שכבות המשמשות כקתודות בסוללות נתרן-יון.
המחקר מתמקד בשיפור הביצועים, אורך החיים והמחיר סביר של חומרי סוללה חדשים. כמו כן נעשים מאמצים להפחית את השימוש באלמנטים נדירים ורעילים כמו ליתיום וקובלט. בהקשר זה, סוללות נתרן-יון מופיעות כחלופה מבטיחה. הם פועלים על פי עקרונות הדומים לסוללות ליתיום-יון אך עשויים מחומרי גלם הזמינים בקלות באירופה.
והם מתאימים גם ליישומים נייחים וגם ליישומים ניידים. "תחמוצות שכבות, כגון תחמוצות נתרן-ניקל-מנגן, הן חומרי קתודה מבטיחים ביותר", אומר ד"ר סיימון דאובנר, ראש קבוצה במכון לחומרים יישומיים – מידול וסימולציה של מיקרו-מבנה (IAM-MMS) של KIT ומחבר מקביל של הספר המחקר. בתוך אשכול המצוינות של POLiS (הקיצור של Post Lithium Storage), הוא חוקר את טכנולוגיית הנתרן-יון.
טעינה מהירה יוצרת מתח מכני
עם זאת, לחומרי קתודה מסוג זה יש בעיה. תחמוצות נתרן-ניקל-מנגן משנות את מבנה הגביש שלהן בהתאם לכמות הנתרן המאוחסנת. אם החומר נטען לאט, הכל מתנהל בצורה מסודרת. "הנתרן עוזב את החומר שכבה אחר שכבה, בדיוק כמו מכוניות שעוזבות חניה סיפור אחר סיפור", מסביר דאובנר. "אבל כשהטעינה מהירה, נתרן מופק מכל הצדדים." זה גורם ללחץ מכני שעלול לפגוע בחומר לצמיתות.
חתך של שכבת קתודה (כ-100 מיקרומטר, שמאל) המורכבת מחלקיקים כדוריים (בקוטר של כעשרה מיקרומטר, מרכז) וסימולציה (מימין) של שבר הנתרן בגביש תחמוצת נתרן-ניקל-מנגן. קרדיט: סיימון דאובנר, KIT
חוקרים מהמכון לננוטכנולוגיה (INT) ו- IAM-MMS של KIT, יחד עם מדענים מאוניברסיטת Ulm והמרכז לחקר אנרגיה סולארית ומימן באדן-וירטמברג (ZSW), ביצעו לאחרונה סימולציות כדי להבהיר את המצב. הם מדווחים פנימה npj חומרים חישובייםיומן של ה טֶבַע תיק עבודות.
ניסויים מאשרים תוצאות סימולציה
"מודלים ממוחשבים יכולים לתאר קשקשי אורך שונים, החל מסידור האטומים בחומרי אלקטרודה ועד למבנה המיקרו שלהם ועד לתא כיחידה הפונקציונלית של כל סוללה", אומר דאובנר. כדי לחקור את תחמוצת השכבות NaXNi1/3Mn2/3O2, שולבו מודלים בעלי מבנה מיקרו עם ניסויי טעינה ופריקה איטיים. נמצא כי החומר מציג מספר מנגנוני פירוק הגורמים לאובדן קיבולת. מסיבה זו, הוא עדיין לא מתאים ליישומים מסחריים. שינוי במבנה הגביש גורם לעיוות אלסטי. הגביש מתכווץ, מה שעלול לגרום לסדקים ולהפחתת קיבולת. סימולציות INT ו- IAM-MMS מראות שהשפעה מכנית זו קובעת באופן מכריע את הזמן הדרוש לטעינת החומר. מחקרים ניסיוניים ב-ZSW מאשרים תוצאות אלו.
ניתן להעביר את ממצאי המחקר בחלקם לתחמוצות שכבות אחרות. "כעת, אנו מבינים תהליכים בסיסיים ויכולים לעבוד על פיתוח חומרי סוללה שעמידים לאורך זמן וניתנים לטעינה במהירות האפשרית", מסכם דאובנר. זה עלול להוביל לשימוש נרחב בסוללות נתרן-יון בעוד חמש עד עשר שנים.
