Na+tteries - Negative Electrode-Electrolyte Solution Development for Sustainable, Scalable Full-Cell Sodium-Batteries

Na+tteries-prosjektet skal utvikle nye batteridesign som er sikre, har lang levetid og som baserer seg på naturressurser som er bærekraftige og som finnes i store mengder, med spesiell fokus på natrium (som har grunnstoffsymbolet «Na»). Litiumbatterier er å anse som moden batteriteknologi, men de er avhengige av grunnstoffer (særlig litium og kobolt) som det er knapphet på, som har negative miljøkonsekvenser og som ofte befinner seg i geopolitisk ustabile regioner utenfor Europa. Natrium-batterier kan derimot bygges ved hjelp av ressurser som finnes i rikelige mengder i Europa, selv om er mindre utviklet enn litiumbatterier og derfor krever utvikling både med tanke på design og produksjon. Så langt har det meste av forskningen på natriumbatterier sett på enkeltkomponenter. I dette prosjektet vil vi se på samspillet mellom disse komponentene og har som endelig mål å utvikle nye batterikjemier som kan anvendes til energilagring i strømnettet i Norge og Europa. Prosjektet vil kombinere eksperimentelt arbeid med numeriske simuleringer for raskt å kunne se hvilke materialer og batterikjemier som er best egnet i denne sammenhengen. Prosjektet tar utgangspunkt i individuelle komponenter og vil, ved å sette disse sammen, konstruere og teste prototyper av natrium-batterier. Prosjektet har som mål å utvikle den mangeårige ekspertisen i energibransjen i Stavanger og Rogaland, samtidig som det gir muligheter for å fornye og forbedre eksisterende energiinfrastruktur i form at et nytt og stort lagringsmedium.

The Na+tteries project will develop Na-battery chemistries that are safe, long-lasting, and reliant on sustainably abundant natural resources. Whereas Li-batteries are a mature technology, they rely on elements (esp. Li, Co) that are scarce, have negative environmental impact, and are located in geopolitically unstable regions (Africa, South America, Asia). In contrast, Na-batteries can be built using resources that are abundant in Europe, although they are less mature and require design and manufacturing improvements. Whereas most Na-battery research has looked at individual components, this project seeks to identify compatible electrode-electrolyte pairings and, ultimately, develop new full-cell chemistries. The project will adopt an interdisciplinary approach, building on the established expertise of the PIs with physicochemical studies of battery materials (Hall) and with electronic structure modelling, molecular dynamics (MD), and machine learning (ML; Riccardi). The experimental component begins with physicochemical characterisation of negative electrode materials (e.g., black P, hard C) and electrolyte solutions (i.e., salts, solvents, and additives) of interest. Building databases and simple models of electrolyte thermal stability, viscosity, and conductivity has been done extensively on Li-based solutions, but far less for Na-batteries. Density functional theory (DFT)-MD will predict electrolyte stability and transport behaviour, then ML will be trained from the DFT-MD to enable more accurate, faster MD calculations. Specific electrode-electrolyte pairings will be studied in terms of the formation and evolution of protective surface layers during prolonged use and under aggressive conditions (e.g., high-temp). Finally, full-cell prototypes will be constructed to evaluate and optimise lifetime and safety. It is hoped the results will inform industry on practical energy storage systems suitable for production in Norway and Europe.