- Die University of Surrey hat eine Datenbank mit 28 Materialien für Natrium-Ionen-Batterien entwickelt.
- Die Verfügbarkeit von Natrium macht Natrium-Ionen-Batterien zu einer wichtigen technologischen Entwicklung.
- Das Forschungsteam nutzt maschinelles Lernen, um die Entwicklung von Natrium-Ionen-Batteriematerialien zu beschleunigen.
- Materialien mit Titan behalten nach 100 Zyklen über 90 % ihrer Kapazität.
Die Forscher der University of Surrey haben eine Datenbank mit 28 Materialien entwickelt, um bessere Kandidaten für Natrium-Ionen-Batteriematerialien zu identifizieren. Diese Datenbank hilft bei der Suche nach alternativen Materialien, um traditionelle Lithium-Ionen-Batterien zu ersetzen, da Lithium-Ressourcen relativ knapp und ungleich verteilt sind. Daniel Komandur, Dozent an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der University of Surrey und Korrespondenzautor der Studie, erklärte: „Wir sind stark auf Lithium-Ionen-Batterien angewiesen, aber Lithium-Ressourcen sind relativ knapp und weltweit ungleich verteilt.“ Er wies darauf hin, dass Natrium-Ionen-Batterien zunehmend zu einer zuverlässigen alternativen Technologie werden; es bedarf jedoch weiterer Analysen, um ihre Leistung und Speicherkapazität bei wiederholten Ladezyklen zu verbessern.
Er fügte hinzu: „Die Verfügbarkeit von Natrium macht Natrium-Ionen-Batterien zu einer wichtigen technologischen Entwicklung.“
Das Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien
Das Team untersuchte, wie die chemische Zusammensetzung von Natrium-Mangan-Oxiden verändert werden kann, um deren Leistung als Kathode zu verbessern. Diese Schlüsselkomponente der Batterie bestimmt, wie viel Energie die Batterie speichern kann und wie effizient sie arbeitet. Im Verlauf der Untersuchung erstellten sie eine Datenbank aus 28 verschiedenen metallischen Komponenten und verglichen deren Leistung in Natrium-Ionen-Batterien. Diese Materialreihe wurde durch den Ersatz von Mangan mit unterschiedlichen Mengen anderer Metalle wie Eisen, Titan und Vanadium hergestellt. Die Forschung ergab, dass Eisen die Speicherkapazität erhöhen, Vanadium die Zyklusstabilität verbessern und geringe Mengen Titan die Hochleistungsfähigkeit steigern können.
Einige titanhaltige Materialien behalten nach 100 Lade- und Entladezyklen über 90 % ihrer Kapazität.
Maschinelles Lernen beschleunigt die Materialforschung
Das Team war sich einig, dass die Suche nach Materialien, die die beste Leistung bieten, eine große Herausforderung darstellt. Um geeignete alternative Materialien zu erkunden, entwickelten die Forscher eine automatisierte Methode zur Analyse der im Experiment generierten Daten. Sie trainierten maschinelle Lernmodelle mit den im Experiment erzeugten Datensätzen. Komandur erklärte: „Diese Arbeit ist der erste Schritt zur Erstellung größerer Datensätze, die für die maschinelle Lernsuche nach Materialien entscheidend sind und uns helfen, vielversprechende Materialien schneller zu identifizieren, um die Entwicklung besserer Natrium-Ionen-Batterien zu beschleunigen.“
Die Forscher gaben an, dass die Erweiterung des Datensatzes letztendlich dazu führen wird, dass künstliche Intelligenz vielversprechende Batteriezusammensetzungen vor der Materialproduktion und den Experimenten vorhersagen kann. Der aktuelle Datensatz ist jedoch noch zu klein, um zuverlässige Vorhersagen zu treffen. Die Erweiterung der Methode auf ein breiteres Spektrum an Kathodenmaterialien könnte den benötigten großen, hochwertigen Datensatz generieren, um die Entdeckung neuer Batteriematerialien zu beschleunigen. Im Laufe der Zeit wird dies den Wissenschaftlern helfen, Natrium-Ionen-Kathoden zu entwerfen, die auf spezifische Anforderungen zugeschnitten sind, wie höhere Speicherkapazität, schnellere Ladezeiten oder längere Lebensdauer. Der Mitautor der Studie, der Doktorand im Bereich Raumfahrttechnik, Eden Marks, erklärte: „Am bemerkenswertesten ist, wie relativ kleine Veränderungen in der Zusammensetzung das Gleichgewicht zwischen Speicherkapazität, Hochleistungsfähigkeit und Haltbarkeit der Materialien beeinflussen können.
Diese Beziehungen zu skizzieren gibt uns eine klarere Richtung für die nächsten Schritte in der Forschung.
Diese Forschungsergebnisse wurden in einer neuen Studie im Journal of Materials Chemistry veröffentlicht.
Posten Spezifikation Anzahl der Materialien in der Datenbank 28 Arten Eigenschaften von Natrium-Ionen-Batterien Relativ reichhaltige Natriumressourcen, potenziell hohe Speicherkapazität Kapazitätsbeibehaltungsrate der titanhaltigen Materialien im Experiment Über 90 % (nach 100 Zyklen)
Zukünftige Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien
Angesichts der Knappheit von Lithium-Ressourcen wird die Forschung zu Natrium-Ionen-Batterien zunehmend wichtiger. Das Forschungsteam der University of Surrey erkundet das Potenzial von Natrium-Ionen-Batterien durch den Aufbau einer Datenbank mit 28 Materialien und nutzt maschinelles Lernen, um den Entdeckungsprozess von Materialien zu beschleunigen. Dies kann nicht nur die Leistung von Natrium-Ionen-Batterien verbessern, sondern auch dazu beitragen, die Marktnachfrage nach leistungsstarken Batterien zu erfüllen. Mit der Erweiterung des Datensatzes wird es in Zukunft möglich sein, gezieltere Natrium-Ionen-Kathodenmaterialien zu entwerfen und die Entwicklung nachhaltiger Energietechnologien voranzutreiben.