Forskare frånTekniska universitetet i München(TUM) ochRWTH Aachens universitetI Tyskland har man jämfört den elektriska prestandan hos högenergiska natriumjonbatterier (SIB) med den hos ett toppmodernt högenergilitiumjonbatteri (LIB) med en litiumjärnfosfatkatod (LFP).

Teamet fann att laddningstillstånd och temperatur har en högre inverkan på pulsresistansen och impedansen hos SIB:erna än hos LIB:erna, vilket kan påverka designval och tyder på att SIB:er kan kräva mer sofistikerade temperatur- och laddningshanteringssystem för att optimera prestandan, särskilt vid lägre laddningsnivåer.

• För att förklara pulsresistans ytterligare: termen hänvisar till hur mycket en batterispänning sjunker när ett plötsligt effektbehov uppstår. Därför indikerar forskningen att natriumjonbatterier påverkas mer av laddningsnivå och temperatur än litiumjonbatterier.

Forskning:

”Natriumjonbatterier [SIB] ses generellt som en drop-in-ersättning för LIB”, konstaterade forskarna. ”Ändå kräver skillnaderna i natriums och litiums elektrokemiska beteende anpassningar av både anoden och katoden. Medan grafit vanligtvis används som anodmaterial för litiumjonbatterier [LIB], ses hårt kol för närvarande som det mest lovande materialet för SIB.”

De förklarade också att deras arbete var avsett att fylla en lucka i forskningen, eftersom det fortfarande saknas kunskap om SIB:s elektriska beteende när det gäller varierande temperaturer och laddningstillstånd (SOC).

Forskargruppen utförde i synnerhet mätningar av elektrisk prestanda vid temperaturer från 10 grader C till 45 grader C och mätningar av tomgångsspänning på helcellen vid olika temperaturer samt mätningar av halvceller på motsvarande celler vid 25 grader C.

”Vidare undersökte vi temperaturens och SOC:s inverkan på både likströmsresistans (R DC) och galvanostatisk elektrokemisk impedansspektroskopi (GEIS)”, specificerades det. ”För att undersöka den användbara kapaciteten, den användbara energin och energieffektiviteten under dynamiska förhållanden utförde vi kapacitetstester genom att tillämpa olika belastningshastigheter vid olika temperaturer.”

Forskarna mätte ett litiumjonbatteri, ett natriumjonbatteri med en nickel-mangan-järnkatod och ett litiumjonbatteri med en LFP-katod. Alla tre uppvisade spänningshysteres, vilket innebär att deras tomgångsspänning skilde sig mellan laddning och urladdning.

”Intressant nog uppstår hysteresen för SIB:er främst vid låga SOC:er, vilket enligt halvcellsmätningar troligen beror på den hårda kolanoden”, betonade akademikerna. ”RI och impedansen hos LIB visar mycket litet beroende av SOC:en. Däremot ökar RRI och impedansen för SIB:er avsevärt vid SOC:er under 30 %, medan högre SOC:er har motsatt effekt och leder till lägre RRI- och impedansvärden.”

Dessutom konstaterade de att temperaturberoendet för R_DC och impedans är högre för SIB:er än LIB:er. ”LIB-testerna visar inte någon signifikant inverkan av SOC på tur- och retureffektiviteten. Däremot kan en cykling av SIB:erna från 50 % till 100 % SOC minska effektivitetsförlusterna med mer än hälften jämfört med en cykling från 0 % till 50 %”, förklarade de vidare och noterade att SIB:ernas effektivitet ökar drastiskt när cellerna cyklas i ett högre SOC-område jämfört med ett lägre SOC-område.