Учени от Сингапур удължиха живота на твърдотелна натриева батерия, но пробивът за електромобили още изисква работа

Решението атакува две стари слабости на натриевите батерии

Натрият не е нов играч в батерийната химия, но вариантите с твърд електролит досега срещаха два упорити проблема. Натриевите йони се движат твърде бавно през полимера, а натриево-металният анод може да образува дендрити по време на зареждане. Тези игловидни структури могат да пробият клетката и да причинят късо съединение.

Екип от College of Design and Engineering към Националния университет на Сингапур публикува резултатите си в Advanced Functional Materials. Изследователите добавят графитен въглероден нитрид, или GCN, към електролит на базата на полиетилен оксид и натриева сол. Материалът се получава чрез нагряване на урея на въздух до 550 °C, при което се образуват листове с дебелина около 2 nm.

В електролита GCN върши две полезни неща едновременно. Първо, разбива твърдите кристални области на полимера и създава повече аморфни зони, в които натриевите йони могат да се движат по-свободно. Второ, богатите на азот повърхностни участъци помагат за отделянето на натриевите йони от контрайоните на солта и повишават преносното число на натриевите йони от 0,19 до 0,51. Йонната проводимост при 55 °C се увеличава повече от двойно.

Най-важно е забавянето на дендритите

Натриево-металният анод предлага висока теоретична енергийна плътност, но при зареждане металът се отлага неравномерно. Именно там започват да растат дендритите, които застрашават клетката отвътре.

Композитният електролит с GCN се оказва три пъти по-здрав от първоначалния полимер. По-важното е, че подпомага образуването на защитен неорганичен слой на натриева основа върху повърхността на анода, който насочва по-равномерното отлагане на метал. В сравнителен тест непромененият полимерен електролит дава късо съединение след 250 часа при плътност на тока 0,1 mA/cm². Електролитът с GCN работи 1000 часа при същото натоварване и над 2000 часа при 0,2 mA/cm².

При еднаква плътност на тока тестът показва приблизително четирикратно подобрение в живота на батерията. При по-тежко натоварване резултатът надхвърля 2000 часа. Това е важно, защото устойчивостта срещу дендрити казва повече за практическата безопасност на твърдотелна метална батерия, отколкото която и да е единична гръмка стойност за мощност.

Пълната клетка показа солиден цикличен живот

Изследователите сглобяват и пълна клетка с твърд електролит, като използват катод от покрит с въглерод, легиран с цинк натриев ванадиев фосфат и натриево-метален анод. При скорост на зареждане и разреждане 0,5C клетката запазва 95% от капацитета си след 500 цикъла, а кулоновата ефективност достига около 99,97%. Казано просто, 1C означава зареждане на батерия за приблизително един час, а 2C, за около половин час.

За да демонстрира механична безопасност, екипът изработва и еднослойна пликова клетка, която захранва LED, докато я сгъват, разгъват и разрязват. Това не доказва готовност за батериен пакет за електромобил, но показва защо твърдите електролити имат предимство в безопасността спрямо клетките с течен електролит.

Това още не е конкурент на CATL за електромобили

За автомобилната индустрия този резултат трябва да се оценява спрямо технологиите, които вече вървят към производство, а не спрямо лабораторен идеал. Натриево-йонната батерия Naxtra на CATL се насочва към серийно приложение с Changan, а CATL посочва енергийна плътност на клетката до 175 Wh/kg. При архитектура cell-to-pack това би могло да позволи пробег над 400 km, с бъдеща цел от 500 до 600 km. Това обаче не е твърдотелна натриево-метална батерия.

Сингапурската разработка играе друга игра. Силата ѝ не е максималният пробег, поне не засега. Тя е в безопасността, по-евтините суровини и възможността за намаляване на зависимостта от литий. Основното ограничение остава работната температура. Най-силният резултат е постигнат при 55 °C, а следващата цел е стабилна работа при 45 °C. Батерия за европейски електромобил трябва да работи в много по-широк климатичен диапазон, не само в топла лабораторна среда.

Европа може първо да усети ефекта при съхранението, не при високопроизводителните електромобили

Европа най-спешно се нуждае от евтини и безопасни батерии с по-нисък риск при суровините за мрежово съхранение и за соларни паркове. В тези приложения енергията на килограм е по-малко важна от цената, пожарната безопасност, цикличния живот и разходите за поддръжка. Именно там твърдотелна натриева батерия може да започне да оказва натиск върху LFP батериите.

При електромобилите натриевата химия вероятно първо ще се появи в по-евтини градски автомобили, търговски превозни средства и модели за по-студен климат, където цената и температурната устойчивост могат да надделеят над по-ниската енергийна плътност. Премиум електромобилите и моделите с голям пробег ще останат територия на високоенергийните литиеви химии през следващите няколко години.

Техническа картина

Електролит: твърд полимерен електролит на базата на полиетилен оксид и натриева сол, с добавени 2 nm листове GCN.

Йонен транспорт: йонната проводимост се увеличава повече от двойно при 55 °C, а преносното число на натриевите йони нараства от 0,19 до 0,51.

Устойчивост срещу дендрити: композитният електролит работи 1000 часа при 0,1 mA/cm² и над 2000 часа при 0,2 mA/cm².

Пълна клетка: запазва 95% от капацитета си след 500 цикъла при 0,5C, с кулонова ефективност около 99,97%.

Основно ограничение: технологията все още се нуждае от по-ниски работни температури и прототипи в по-голям формат.

Пробивът е реален, но реална е и дистанцията между умна лабораторна клетка и батериен пакет, който оцелява години наред при зареждане, студ, жега и нетърпеливи шофьори.