Singapurski istraživači produljuju vijek baterije s čvrstim elektrolitom, ali proboj za električne automobile još traži korake
Jedno od velikih obećanja natrij-ionskih baterija jest jeftinije i geopolitički jednostavnije skladištenje energije. Istraživači s Nacionalnog sveučilišta u Singapuru dodali su jeftini grafitni ugljikov nitrid u čvrsti polimerni elektrolit i dobili bateriju koja se učinkovitije odupire dendritima, brže provodi ione i nakon 500 ciklusa u laboratorijskom testiranju zadržava 95 posto kapaciteta. Zvuči kao vijest za električne automobile. Zasad je, međutim, ovaj rad neposrednije važan za stacionarne baterijske sustave.
Rješenje napada dvije stare slabosti natrijevih baterija
Natrij nije novost u kemiji baterija, ali izvedbe s čvrstim elektrolitom godinama se muče s dva tvrdokorna problema. Natrijevi ioni presporo prolaze kroz polimer, a anoda od metalnog natrija tijekom punjenja može stvarati dendrite. Te igličaste strukture mogu probiti ćeliju i izazvati kratki spoj.
Tim s College of Design and Engineering pri Nacionalnom sveučilištu u Singapuru objavio je rad u časopisu Advanced Functional Materials. Istraživači su u elektrolit na bazi polietilen-oksida i natrijeve soli dodali grafitni ugljikov nitrid, odnosno GCN. Materijal nastaje zagrijavanjem uree na zraku do 550 °C, pri čemu nastaju listići debljine oko 2 nm.
U elektrolitu GCN istodobno obavlja dvije korisne zadaće. Prvo razbija kruta kristalna područja polimera i stvara više amorfnih zona, kroz koje se natrijevi ioni mogu slobodnije kretati. Drugo, površinska mjesta bogata dušikom pomažu odvojiti natrijeve ione od protuiona soli, pa transportni broj natrijevih iona raste s 0,19 na 0,51. Ionska vodljivost pri 55 °C više se nego udvostručila.
Najvažnije je usporiti dendrite
Anoda od metalnog natrija nudi visoku teorijsku gustoću energije, ali se metal tijekom punjenja taloži neravnomjerno. Tu počinju rasti dendriti, koji ćeliju ugrožavaju iznutra.
Kompozitni elektrolit s GCN-om pokazao se triput čvršćim od izvornog polimera. Još važnije, pomogao je stvoriti zaštitni anorganski sloj na bazi natrija na površini anode, koji usmjerava ravnomjernije taloženje metala. U usporednom testu neizmijenjeni polimerni elektrolit izazvao je kratki spoj nakon 250 sati pri gustoći struje od 0,1 mA po cm². Elektrolit s GCN-om izdržao je 1000 sati pri istom opterećenju te više od 2000 sati pri 0,2 mA po cm².
Pri istoj gustoći struje test je pokazao otprilike četverostruko produljenje životnog vijeka baterije. Pod težim opterećenjem elektrolit je prešao 2000 sati. To je važno jer otpornost na dendrite govori više o praktičnoj sigurnosti čvrste metalne baterije nego bilo koja pojedinačna velika brojka o snazi.
Cjelovita ćelija pokazala je solidan ciklički vijek
Istraživači su izradili i cjelovitu ćeliju s čvrstim elektrolitom, s katodom od natrij-vanadijeva fosfata dopiranog cinkom i presvučenog ugljikom te anodom od metalnog natrija. Pri brzini punjenja i pražnjenja od 0,5C ćelija je nakon 500 ciklusa zadržala 95 posto kapaciteta, dok je kulonska učinkovitost dosegnula oko 99,97 posto. Pojednostavljeno, 1C znači punjenje baterije za otprilike jedan sat, a 2C za oko pola sata.
Kako bi pokazao mehaničku sigurnost, tim je izradio i jednoslojnu pouch ćeliju koja je napajala LED dok su je savijali, ispravljali i rezali. To ne dokazuje spremnost za baterijski paket električnog automobila, ali pokazuje zašto čvrsti elektroliti imaju sigurnosnu prednost u odnosu na ćelije s tekućim elektrolitom.
Ovo još nije CATL-ov suparnik za električne automobile
Za automobilsku industriju ovaj rezultat treba mjeriti s onim što se već kreće prema proizvodnji, a ne s laboratorijskim idealom. CATL-ova natrij-ionska baterija Naxtra ide prema serijskoj primjeni s Changanom, a CATL navodi gustoću energije ćelije do 175 Wh po kg. U cell-to-pack arhitekturi to bi moglo omogućiti više od 400 km dosega, uz budući cilj od 500 do 600 km. No to nije natrijeva metalna baterija s čvrstim elektrolitom.
Singapurski rad igra drukčiju igru. Njegova prednost nije maksimalni doseg, barem ne zasad. Prednosti su sigurnost, jeftinije sirovine i mogućnost smanjenja ovisnosti o litiju. Glavno ograničenje ostaje radna temperatura. Najjači rezultat postignut je pri 55 °C, dok je sljedeći cilj stabilan rad pri 45 °C. Baterija za europski električni automobil mora raditi u mnogo širem klimatskom rasponu, ne samo u toplom laboratoriju.
Europa bi učinak mogla prvo osjetiti u skladištenju energije, a ne u performansnim EV-ovima
Europi su jeftine, sigurne baterije s nižim rizikom opskrbe sirovinama najhitnije potrebne u mrežnim spremnicima energije i skladištima uz solarne elektrane. U tim primjenama energija po kilogramu manje je važna od cijene, protupožarne sigurnosti, cikličkog vijeka i troškova održavanja. To je niša u kojoj bi natrijeva baterija s čvrstim elektrolitom mogla početi pritiskati LFP baterije.
U električnim automobilima natrijeva kemija vjerojatno će se najprije pojaviti u jeftinijim gradskim automobilima, gospodarskim vozilima i modelima za hladnije klime, gdje cijena i temperaturna tolerancija mogu nadjačati nižu gustoću energije. Premium EV-ovi i modeli velikog dosega sljedećih će nekoliko godina ostati područje litijevih kemija visoke energije.
Tehnički presjek
Elektrolit: čvrsti polimerni elektrolit na bazi polietilen-oksida i natrijeve soli, s dodanim GCN listićima debljine 2 nm.
Transport iona: ionska vodljivost pri 55 °C više se nego udvostručila, dok je transportni broj natrijevih iona porastao s 0,19 na 0,51.
Otpornost na dendrite: kompozitni elektrolit izdržao je 1000 sati pri 0,1 mA po cm² i više od 2000 sati pri 0,2 mA po cm².
Cjelovita ćelija: 95 posto zadržanog kapaciteta nakon 500 ciklusa pri 0,5C, uz kulonsku učinkovitost od oko 99,97 posto.
Glavno ograničenje: tehnologiji još trebaju niže radne temperature i prototipovi većeg formata.
Proboj je stvaran, ali stvaran je i jaz između pametno osmišljene laboratorijske ćelije i baterijskog paketa koji mora preživjeti godine punjenja, mraz, vrućinu i nestrpljive vozače.
