Istraživački tim je razvio procesnu tehnologiju koja omogućava ultrabrzu, 30-sekundnu pripremu tvrdih ugljeničnih anoda za natrijum-jonske baterije korišćenjem mikrotalasnog indukcionog grejanja.
Jedna od sekundarnih baterija sledeće generacije, natrijum-jonska baterija koristi natrijum (Na) umesto trenutnog glavnog oslonca, litijum (Li). Natrijum, glavna komponenta soli, ima više od hiljadu puta više od litijuma i lakše se izdvaja i rafiniše. Štaviše, njegova niža reaktivnost u poređenju sa litijumom znači veću elektrohemijsku stabilnost kada se koristi za baterije, što ga čini povoljnijim za brzo punjenje i pražnjenje, uz održavanje performansi čak i na niskim temperaturama.
Uprkos ovim prednostima, natrijum-jonske baterije se suočavaju sa značajnim izazovima, uključujući nižu gustinu energije i kraći životni vek u poređenju sa litijum-jonskim baterijama zbog složenosti proizvodnog procesa. Veća veličina natrijumovih jona u poređenju sa litijumom zahteva upotrebu tvrdog ugljenika, koji ima veći međuslojni razmak od grafita, trenutnog oslonca anodnih materijala.
Tvrdi ugljenik se ne nalazi u prirodi i zato se mora sintetizovati. Proces pripreme je veoma zamršen i zahteva da se ugljovodonični materijali — glavne komponente biljaka i polimeri — zagrevaju u okruženju bez kiseonika na temperaturama većim od 1000°C tokom dužeg perioda. Ovaj proces „karbonizacije“ je i ekonomski i ekološki opterećujući, što je predstavljalo ključnu prepreku komercijalizaciji natrijum-jonskih baterija.
Među brojnim timovima koji pokušavaju da se pozabave ovim izazovom, tim koji predvode dr Kim i dr Park predložio je metod brzog grejanja pomoću mikrotalasne tehnologije, koju lako možemo pronaći iz mikrotalasne pećnice u kuhinji. Prvo su stvorili filmove mešanjem polimera sa malom količinom visoko provodljivih ugljeničnih nanocevi. Zatim su primenili mikrotalasno magnetno polje na filmove da indukuju struje u ugljeničnim nanocevima, selektivno zagrevajući filmove na preko 1.400°C za samo 30 sekundi.
Kroz godine istraživanja, KERI je razvio tehnologiju za ravnomernu toplotnu obradu provodnih tankih filmova, kao što su metali, koristeći mikrotalasna magnetna polja. Ova tehnologija je privukla značajnu pažnju u industrijskim procesima kao što su displeji i poluprovodnici. KERI-jev istraživački centar nano hibridne tehnologije je prepoznat kao vodeći nacionalni centar za tehnologiju ugljeničnih nanomaterijala. Dr Kim i Dr Park su iskoristili mogućnosti centra da se upuste u anodne materijale natrijum-jonskih baterija i postigli obećavajuće rezultate.
Ključ njihovog uspeha leži u sopstvenoj tehnici „multifizičke simulacije“ tima. To im je omogućilo da steknu duboko razumevanje složenih procesa koji se dešavaju kada se elektromagnetno polje u mikrotalasnom opsegu primeni na nanomaterijale, što je dovelo do stvaranja novog procesa za pripremu anodnih materijala natrijum-jonskih baterija.
Studija je objavljena u časopisu Chemical Engineering Journal. Rad su prvi koautori bili Geongbeom Rioo i Jivon Shin, studenti istraživači koji su učestvovali u KERI-jevom akademskom istraživačkom programu saradnje.
„Zbog nedavnih požara električnih vozila, raste interesovanje za natrijum-jonske baterije koje su bezbednije i dobro funkcionišu u hladnijim uslovima. Međutim, proces karbonizacije za anode je bio značajan nedostatak u smislu energetske efikasnosti i cene“, rekao je Dr Jong Hvan Park. Dr Daeho Kim je dodao: „Naša tehnologija indukcionog grejanja u mikrotalasnoj pećnici omogućava brzu i jednostavnu pripremu tvrdog ugljenika, za koji verujem da će doprineti komercijalizaciji natrijum-jonskih baterija.“
U budućnosti, tim planira da nastavi da radi na poboljšanju performansi svojih anodnih materijala i razvoju tehnologije za kontinuiranu masovnu proizvodnju tvrdih ugljeničnih filmova velike površine. Oni takođe vide potencijal njihove tehnologije mikrotalasnog indukcionog grejanja primenljive na druga polja, kao što su potpuno čvrste baterije koje zahtevaju visokotemperaturno sinterovanje, što zahteva dalja istraživanja.
KERI, pošto je već završio domaću prijavu patenta, očekuje da će ova tehnologija privući značajno interesovanje kompanija koje se bave materijalima za skladištenje energije i predviđa poslove transfera tehnologije sa potencijalnim industrijskim partnerima.
Tim su predvodili dr Daeho Kim i dr Jong Hvan Park u Istraživačkom centru za nano hibridnu tehnologiju Korejskog instituta za istraživanje elektrotehnologije (KERI).
