NanoName: Improving sodium ion battery perfomance with nanostructured metallate anodes

NANONAME prosjektet har fokus på Na-ione batterier som et alternativ og supplement til Li-ione batterier. Forventelig vil Na-ione batterier finne betydelig kommersiell bruk innen en periode på fem år, trolig innen andre nisjer enn transportsektoren der Li-ione batterier dominerer. Na-baserte batterier er interessante ut fra betraktninger av tilgjengelighet av grunnstoffer, giftighet, pris og miljømessige fotavtrykk. Vårt fokus er på anode-materialer. Anodematerialer er av stor viktighet for funksjonaliteten av et ione batteri. For natrium batterier, er det ikke mulig å benytte grafitt, slik som det gjøres for Li-ione batterier; det er termodynamisk ugunstig. I vår forskning har vi fokusert på anodematerialer som gjennomløper først en konverteringsreaksjon, og deretter en legeringsreaksjon. Det første trinnet er typisk ikke-reversibelt. Dermed er legeringstrinnet det viktige. I dette utskifter Bi tre elektroner per atom, og danner Na3Bi med Bi(-III). Vi danner altså natrium vismutider. Det betydelige antall elektroner pr Bi-atom gjør at teoretisk ladningskapasitet er høy. God reversibilitet og lave tap gjennom gjentatte opp/utladningssykluser er et praktisk mål. For å nå dette har filosofien i NANONAME vært todelt; dannelse av Bi-nanopartikler i en fleksibel oksidmatriks (denne er resultat av konverteringsreaksjonen) og bruk av RGO (redusert grafenoksid), helst som et ledende to-dimensjonalt nanomateriale mellom Bi-partikler og oksidmatriks. Samtidig har vi vært opptatt av å avklare om også innskuddsmetallioner i oksidmatriksen kan være/gjøres elektrokjemisk aktive. Vi har benyttet operando karakterisering ved synkrotronanlegg (diffraksjon/PDF, XAS og tomografi) samt DFT/MD simuleringer for å forstå de underliggende mekanismene. Visse planer om avansert karakterisering har måttet skifte fokus til hjemmelab studier pga den internasjonale covid-situasjonen. Prosjektet vekselvirker i Norge med akademiske og anvendte/industrielle miljøer gjennom FME senteret Mozees.

-

Lithium batteries are keys to electric propulsion in the transportation sector. Improved materials will significantly impact future developments; distance, charging, lifetime, safety, costs etc. Na-ion batteries represent a real alternative, technologically less mature, but with huge potential. However, certain breakthroughs are called for, among these reliable high capacity anodes. NanoName launches a new class of anode materials, where UiO has secured IP rights, and recent developments are published by us in top journals. We suggest now how these materials can be significantly improved, by nanostructuring and chemical modifications, and how reduced graphene oxide will help in achieving highly reversible and stable cycling. Our strategy is to combine the unique expertise of the NAFUMA group at UiO, on (nano)materials synthesis, operando characterization and DFT/MD simulations, and gain new insight to governing mechanism for the anode performance. In turn this insight will be fed back into the synthesis loop for bringing the new knowledge into new materials, and so on. In the project, the use of operando techniques that allows detailed studies of the battery materials (and the individual components) in real life during charge and discharge is essential. As well electrons, X-rays/synchrotron radiation and neutrons will be used, thereby adding to our leadership in operando battery studies. These material systems are chosen, both because of excellent performance, but also for fulfilling requirements on availability, toxicity, costs, environmental footprint for future sustainable solutions, as described in our perspectives on responsible research and innovation. We will educate/train 1PhD and 1 Pdoc, likewise involve highly competent researchers on part time. Our ambition is to publish >6 papers in top journals, and submit one DOFI for patent evaluation. The project will closely interact with academics, industry and end users in the MoZees FME, where we are a partner.