A legkorszerűbb nátriumion-akkumulátorokban az anód szerepét úgynevezett kemény szén tölti be, amely porózus, rendezetlen szerkezetű anyag. A kutatók régóta feltételezik, hogy a nátriumionok ezekben az apró pórusokban fémes jellegű klaszterekké rendeződnek, ám ennek pontos mechanizmusa eddig nem volt világos.
Szűk pórusok, lassú ionmozgás
A Tokiói Tudományegyetemhez tartozó Science Tokyo kutatócsoportja Yoshitaka Tateyama professzor vezetésével nagy pontosságú, kvantummechanikai alapú molekuladinamikai szimulációkat futtatott – többek között a Fugaku szuperszámítógépen – a kemény szén nanoméretű szerkezetének modellezésére.
Az eredmények szerint a nátriumionok a pórusokban viszonylag gyorsan átalakulnak egy kétdimenziós kötött állapotból egy háromdimenziós, kvázi fémes klaszterré. A kutatók elméletileg meghatározták a stabil nátriumtároláshoz ideális pórusméretet is, amely körülbelül 1,5 nanométer – összhangban a kísérleti megfigyelésekkel.
A szimulációk arra is rávilágítottak, hogy miközben az ionok egyes, jól összekapcsolt régiókban gyorsan mozognak, a pórusok elágazásai és újracsatlakozási pontjai súlyos „szűk keresztmetszetként” viselkednek. Ezekben a szűk átmeneti zónákban az ionok torlódnak, és csak akkor tudnak továbbhaladni, amikor elegendő taszító kölcsönhatás alakul ki. Ez a folyamat jelentősen lassítja az egész anyagon belüli ionvándorlást.
A kutatók szerint az új eredmények egyértelmű iránymutatást adnak a kemény szén anódok nanostruktúrájának tervezéséhez, ami hozzájárulhat a nagyobb energiasűrűségű nátriumion-akkumulátorok fejlesztéséhez.
A nagy teljesítményű energiatárolás kulcsszerepet játszik a nap- és szélenergia hasznosításában. A kutatócsoport szerint a nátriumion-akkumulátorok elterjedése hosszú távon jelentősen támogathatja a karbonsemleges energiarendszerek kiépítését.
