باتری‌های لیتیوم یون مدت‌هاست که به عنوان منبع انرژی برای خودروهای الکتریکی استفاده شده و این فناوری بر بازار باتری‌ها تسلط داشته‌است. این باتری‌ها معمولا برای ذخیره انرژی تجدیدپذیر در شبکه برق مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، با گسترش سریع  بازار این باتری‌ها، کمبود عرضه لیتیوم طی پنج تا ۱۰ سال آینده پیش‌بینی می‌شود.

گوی لیانگزو از محققان آزمایشگاه ملی آرگونه در وزارت انرژی آمریکا (DOE) می‌گوید: باتری‌های یون سدیم به دلیل فراوانی بیشتر و هزینه کمتر سدیم به عنوان جایگزین احتمالی برای باتری‌های لیتیوم یون در حال ظهور هستند.

تا به امروز، موانع جدی برای تجاری‌سازی چنین باتری‌هایی وجود داشته است. به طور خاص، عملکرد کاتد حاوی سدیم با شارژ/دشارژ مکرر به سرعت کاهش می‌یابد. از این رو محققان آزمایشگاه ملی آرگونه کاتد جدیدی برای باتری اکسید سدیم-یون طراحی کرده‌اند که می‌تواند به حل این مشکل کمک کند. این کاتد شباهت زیادی به کاتدی دارد که پیش از این، این تیم برای باتری اکسید لیتیوم یون با ظرفیت ذخیره انرژی بالا و عمر طولانی طراحی کرده بود.

یکی از ویژگی‌های کلیدی هر دو طرح این است که ذرات کاتد میکروسکوپی حاوی ترکیبی از فلزات واسطه است که می‌تواند شامل نیکل، کبالت، آهن یا منگنز باشد. نکته مهم این است که این فلزات به طور یکنواخت در کاتد توزیع نمی‌شوند، بلکه به صورت ساختار هسته‌ای پوسته‌ای در کاتد قرار می‌گیرند. این عناصر در خدمت اهداف مختلفی هستند. سطح غنی از منگنز موجب پایداری ساختاری آن در طول چرخه شارژ/تخلیه می‌شود. هسته غنی از نیکل ظرفیت بالایی برای ذخیره انرژی فراهم می‌کند.

با این حال، در آزمایش‌ها، ظرفیت ذخیره انرژی کاتد به طور پیوسته در طول چرخه شارژ/تخلیه کاهش یافت. مشکل در ایجاد شکاف در ذرات در طول چرخه شارژ/تخلیه بود. این ترک‌ها به دلیل ایجاد کرنش بین پوسته و هسته در ذرات ایجاد می‌شوند. این تیم به دنبال حذف این فشار قبل از چرخه شارژ/تخلیه با تنظیم دقیق روش آماده‌سازی کاتد بود.

ماده پیش‌ساز مورد استفاده برای شروع فرآیند سنتز یک هیدروکسید است. این ساختار علاوه بر اکسیژن و هیدروژن، دارای سه فلز است: نیکل، کبالت و منگنز.

این تیم دو نسخه از این هیدروکسید را ساخت؛ یکی با این فلزات به طوری که در یک گرادیان از هسته تا پوسته توزیع شده‌اند، دیگری با سه فلز که به طور مساوی در هر ذره توزیع شده‌اند.

به نقل از ستاد نانو، برای تشکیل محصول نهایی، این تیم ترکیبی از ماده پیش‌ساز و هیدروکسید سدیم را تا دمای ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم کردند، آن را برای مدت زمان مشخصی در آن دما نگه داشتند، سپس این ماده را تا دمای اتاق خنک کردند. آنها همچنین نرخ‌های مختلف گرمایش را امتحان کردند. نتایج اولیه نشان داد که هیچ شکافی در ذرات یکنواخت وجود ندارد، اما شکاف‌هایی در ذرات دارای گرادیان در دمای کمتر از ۲۵۰ درجه سانتی‌گراد ایجاد می‌شود. این ترک‌ها در هسته و مرز هسته-پوسته ظاهر شده و سپس به سطح حرکت کردند. واضح است که گرادیان فلزی باعث ایجاد کرنش قابل توجهی می‌شود که منجر به این ترک‌ها می‌شود. این تیم در حال حاضر در تلاش است تا نیکل را از کاتد حذف کند که هزینه را حتی بیشتر کاهش دهد و محصول نهایی پایدارتر شود.

نتایج این تحقیق در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.