Singaporen tutkijat pidentävät kiinteän natriumakun käyttöikää, mutta sähköautojen läpimurto vaatii vielä monta askelta

Ratkaisu tarttuu natriumakkujen kahteen vanhaan heikkouteen

Natrium ei ole uusi tulokas akkukemiassa, mutta kiinteään elektrolyyttiin perustuvat versiot ovat kärsineet kahdesta sitkeästä ongelmasta. Natriumionit liikkuvat polymeerissä liian hitaasti, ja natriummetallianodi voi kasvattaa latauksen aikana dendriittejä. Nämä neulamaiset rakenteet voivat puhkaista kennon ja aiheuttaa oikosulun.

National University of Singaporen College of Design and Engineeringin tutkimusryhmä julkaisi työnsä Advanced Functional Materials -lehdessä. Tutkijat lisäsivät grafiittista hiilinitridiä, eli GCN:ää, polyeteenioksidiin ja natriumsuolaan perustuvaan elektrolyyttiin. Materiaali valmistetaan kuumentamalla ureaa ilmassa 550 °C:seen, jolloin syntyy noin 2 nm paksuja levyjä.

Elektrolyytissä GCN tekee kaksi hyödyllistä asiaa yhtä aikaa. Ensinnäkin se hajottaa polymeerin jäykkiä kiteisiä alueita ja luo lisää amorfisia vyöhykkeitä, joissa natriumionit voivat liikkua vapaammin. Toiseksi typpipitoiset pintakohdat auttavat erottamaan natriumionit suolan vastaioneista, mikä nostaa natriumionien kuljetusluvun 0,19:stä 0,51:een. Ionijohtavuus 55 °C:ssa yli kaksinkertaistui.

Dendriittien hidastaminen ratkaisee paljon

Natriummetallianodi tarjoaa teoriassa vahvan energiatiheyden, mutta metalli kerrostuu latauksen aikana epätasaisesti. Siitä dendriitit alkavat kasvaa, ja ne uhkaavat kennoa sisältäpäin.

GCN-komposiittielektrolyytti osoittautui kolme kertaa alkuperäistä polymeeriä vahvemmaksi. Vielä tärkeämpää oli, että se auttoi muodostamaan anodin pinnalle suojaavan natriumpohjaisen epäorgaanisen kerroksen, joka ohjasi metallin tasaisempaa kerrostumista. Vertailukokeessa muuttamaton polymeerielektrolyytti meni oikosulkuun 250 tunnin jälkeen virrantiheydellä 0,1 mA/cm². GCN-elektrolyytti toimi samalla kuormalla 1000 tuntia ja yli 2000 tuntia virrantiheydellä 0,2 mA/cm².

Samalla virrantiheydellä koe osoitti akun eliniässä noin nelinkertaisen parannuksen. Kovemmalla kuormalla se ylitti 2000 tuntia. Tällä on merkitystä, koska dendriittien vastustuskyky kertoo kiinteän metalliakun käytännön turvallisuudesta enemmän kuin yksittäinen otsikoihin nostettu teholuku.

Kokonainen kenno osoitti vahvaa syklinkestoa

Tutkijat rakensivat myös kokonaisen kiinteän elektrolyytin kennon, jossa käytettiin hiilipinnoitettua sinkillä seostettua natriumvanadiinifosfaattikatodia ja natriummetallianodia. 0,5C:n lataus- ja purkunopeudella kenno säilytti 95 prosenttia kapasiteetistaan 500 syklin jälkeen, ja coulombinen hyötysuhde oli noin 99,97 prosenttia. Yksinkertaistettuna 1C tarkoittaa akun lataamista noin tunnissa, kun taas 2C tarkoittaa noin puolta tuntia.

Mekaanisen turvallisuuden havainnollistamiseksi ryhmä valmisti myös yksikerroksisen pussikennon, joka syötti LED-valoa taitettuna, avattuna ja leikattuna. Se ei todista valmiutta sähköauton akkupakettiin, mutta se näyttää, miksi kiinteät elektrolyytit tarjoavat turvallisuusedun nestemäisen elektrolyytin kennoihin verrattuna.

Tämä ei vielä haasta CATL:ää sähköautoissa

Autoteollisuuden kannalta tulosta pitää arvioida sitä vasten, mikä on jo matkalla tuotantoon, ei laboratorioihannetta vasten. CATL:n Naxtra-natriumioniakku etenee sarjatuotantokäyttöön Changanin kanssa, ja CATL ilmoittaa kennon energiatiheydeksi enintään 175 Wh/kg. Cell-to-pack-rakenteessa se voisi mahdollistaa yli 400 km:n toimintamatkan, ja tuleva tavoite on 500–600 km. Kyse ei kuitenkaan ole kiinteän elektrolyytin natriummetalliakusta.

Singaporen tutkimus pelaa eri peliä. Sen vahvuus ei ole suurin mahdollinen ajomatka, ainakaan vielä. Vahvuudet ovat turvallisuus, edullisemmat raaka-aineet ja mahdollisuus vähentää riippuvuutta litiumista. Suurin rajoite on edelleen käyttölämpötila. Vahvin tulos saatiin 55 °C:ssa, ja seuraava tavoite on vakaa toiminta 45 °C:ssa. Eurooppalaisen sähköauton akun on toimittava paljon laajemmassa ilmastoikkunassa, ei vain lämpimässä laboratorioympäristössä.

Euroopassa vaikutus voi näkyä ensin varastoinnissa, ei suorituskykyisissä sähköautoissa

Eurooppa tarvitsee halpoja ja turvallisia akkuja, joiden raaka-aineriski on pienempi, kaikkein kiireellisimmin sähköverkon varastointiin ja aurinkopuistojen energiavarastoihin. Näissä käyttökohteissa energiatiheys kilogrammaa kohti merkitsee vähemmän kuin hinta, paloturvallisuus, syklinkesto ja huoltokustannukset. Juuri siinä markkinaraossa kiinteän elektrolyytin natriumakku voisi alkaa painostaa LFP-akkuja.

Sähköautoissa natriumkemia nähdään todennäköisesti ensin edullisemmissa kaupunkiautoissa, hyötyajoneuvoissa ja kylmien ilmastojen malleissa, joissa hinta ja lämpötilansieto voivat painaa enemmän kuin matalampi energiatiheys. Premium-sähköautot ja pitkän toimintamatkan mallit pysyvät vielä seuraavat vuodet korkean energian litiumkemioiden alueena.

Tekninen yhteenveto

Elektrolyytti: polyeteenioksidiin ja natriumsuolaan perustuva kiinteä polymeerielektrolyytti, johon on lisätty 2 nm:n GCN-levyjä.

Ionikuljetus: ionijohtavuus yli kaksinkertaistui 55 °C:ssa, ja natriumionien kuljetusluku nousi 0,19:stä 0,51:een.

Dendriittien vastustuskyky: komposiittielektrolyytti toimi 1000 tuntia virrantiheydellä 0,1 mA/cm² ja yli 2000 tuntia virrantiheydellä 0,2 mA/cm².

Kokonainen kenno: kapasiteetista säilyi 95 prosenttia 500 syklin jälkeen 0,5C:llä, ja coulombinen hyötysuhde oli noin 99,97 prosenttia.

Päärajoite: teknologia tarvitsee yhä matalampia käyttölämpötiloja ja suuremman formaatin prototyyppejä.

Läpimurto on todellinen, mutta yhtä todellinen on ero nokkelan laboratoriokennon ja sellaisen akkupaketin välillä, joka kestää vuosien lataukset, pakkaset, helteet ja kärsimättömät kuljettajat.