Singapūro tyrėjai pailgino kietojo elektrolito baterijos tarnavimo laiką, bet elektromobilių proveržiui dar reikia kelių žingsnių
Vienas didžiausių natrio jonų baterijų pažadų yra pigesnis ir geopolitiniu požiūriu paprastesnis energijos kaupimas. Singapūro nacionalinio universiteto tyrėjai į kietąjį polimerinį elektrolitą pridėjo nebrangaus grafitinio anglies nitrido ir sukūrė bateriją, kuri laboratoriniuose bandymuose veiksmingiau priešinosi dendritams, greičiau pernešė jonus ir po 500 ciklų išlaikė 95 proc. talpos. Tai skamba kaip elektromobilių naujiena. Kol kas šis darbas atrodo gerokai aktualesnis stacionariems energijos kaupikliams.
Sprendimas taikosi į dvi senas natrio baterijų silpnybes
Natris baterijų chemijoje nėra naujokas, tačiau kietojo elektrolito versijos ilgai strigo dėl dviejų atkaklių problemų. Natrio jonai polimeru juda per lėtai, o įkrovimo metu ant natrio metalo anodo gali augti dendritai. Šios adatų formos struktūros gali pradurti celę ir sukelti trumpąjį jungimą.
Singapūro nacionalinio universiteto Dizaino ir inžinerijos koledžo komanda savo darbą paskelbė „Advanced Functional Materials“. Tyrėjai į elektrolitą, paremtą polietileno oksidu ir natrio druska, pridėjo grafitinio anglies nitrido, arba GCN. Medžiagą jie gamina kaitindami karbamidą ore iki 550 °C. Taip susidaro maždaug 2 nm storio lakštai.
Elektrolite GCN vienu metu atlieka du naudingus darbus. Pirma, jis suardo standžias kristalines polimero sritis ir sukuria daugiau amorfinių zonų, kuriose natrio jonai gali judėti laisviau. Antra, azotu praturtintos paviršiaus vietos padeda atskirti natrio jonus nuo druskos priešingųjų jonų, todėl natrio jonų pernašos skaičius padidėja nuo 0,19 iki 0,51. Joninis laidumas esant 55 °C išaugo daugiau nei dvigubai.
Svarbiausia stabdyti dendritus
Natrio metalo anodas siūlo didelį teorinį energijos tankį, tačiau įkrovimo metu metalas nusėda netolygiai. Būtent ten pradeda augti dendritai, keliantys grėsmę celei iš vidaus.
GCN kompozitinis elektrolitas pasirodė esąs tris kartus tvirtesnis už pradinį polimerą. Dar svarbiau, jis padėjo ant anodo paviršiaus suformuoti apsauginį natrio pagrindo neorganinį sluoksnį, kuris nukreipia tolygesnį metalo nusėdimą. Lyginamajame bandyme nepakeistas polimerinis elektrolitas trumpąjį jungimą patyrė po 250 valandų, esant 0,1 mA/cm² srovės tankiui. GCN elektrolitas tokią pačią apkrovą atlaikė 1000 valandų, o esant 0,2 mA/cm² veikė ilgiau nei 2000 valandų.
Esant tam pačiam srovės tankiui, bandymas parodė maždaug keturgubą baterijos tarnavimo laiko pagerėjimą. Didesnės apkrovos sąlygomis ji peržengė 2000 valandų ribą. Tai svarbu, nes atsparumas dendritams apie praktinį kietojo metalo baterijos saugumą pasako daugiau nei bet kuris vienas skambus galios rodiklis.
Pilna celė parodė solidų ciklinį ilgaamžiškumą
Tyrėjai taip pat pagamino pilną kietojo elektrolito celę, naudodami anglimi padengtą cinku dopuoto natrio vanadžio fosfato katodą ir natrio metalo anodą. Esant 0,5C įkrovimo ir iškrovimo spartai, po 500 ciklų celė išlaikė 95 proc. talpos, o kuloninis efektyvumas siekė apie 99,97 proc. Paprastai tariant, 1C reiškia baterijos įkrovimą maždaug per vieną valandą, o 2C, maždaug per pusvalandį.
Mechaniniam saugumui pademonstruoti komanda taip pat pagamino vieno sluoksnio maišelio tipo celę, kuri maitino LED lemputę ją sulenkus, ištiesus ir perpjovus. Tai neįrodo pasirengimo elektromobilio baterijų paketui, tačiau parodo, kodėl kietieji elektrolitai turi saugumo pranašumą prieš skysto elektrolito celes.
Tai dar nėra CATL konkurentas elektromobiliams
Automobilių pramonei šį rezultatą reikia vertinti ne pagal laboratorinį idealą, o pagal tai, kas jau juda serijinės gamybos link. CATL „Naxtra“ natrio jonų baterija su „Changan“ keliauja į serijinį naudojimą, o CATL nurodo iki 175 Wh/kg celės energijos tankį. „Cell-to-pack“ architektūroje tai galėtų leisti pasiekti daugiau kaip 400 km nuvažiuojamą atstumą, o ateities tikslas siekia 500–600 km. Vis dėlto tai nėra kietojo elektrolito natrio metalo baterija.
Singapūro darbas žaidžia kitokį žaidimą. Jo stiprybė, bent jau kol kas, nėra maksimalus nuvažiuojamas atstumas. Tai saugumas, pigesnės žaliavos ir galimybė mažinti priklausomybę nuo ličio. Didžiausias apribojimas tebėra darbinė temperatūra. Stipriausias rezultatas pasiektas esant 55 °C, o kitas tikslas yra stabilus veikimas esant 45 °C. Europietiška elektromobilio baterija turi veikti gerokai platesniame klimato lange, ne tik šiltoje laboratorijoje.
Europa poveikį pirmiausia gali pajusti kaupikliuose, o ne našių elektromobilių segmente
Europai pigios, saugios baterijos su mažesne žaliavų rizika skubiausiai reikalingos tinklo kaupikliuose ir saulės parkų energijos saugyklose. Tokiose srityse energija kilogramui svarbi mažiau nei kaina, gaisrinė sauga, ciklinis ilgaamžiškumas ir priežiūros sąnaudos. Būtent šioje nišoje kietojo elektrolito natrio baterija galėtų pradėti spausti LFP baterijas.
Elektromobiliuose natrio chemija greičiausiai pirmiausia pasirodys pigesniuose miesto automobiliuose, komercinėse transporto priemonėse ir modeliuose šaltesniam klimatui, kur kaina ir atsparumas temperatūrai gali nusverti mažesnį energijos tankį. Aukštesnės klasės elektromobiliai ir ilgo nuotolio modeliai artimiausius kelerius metus liks didelės energijos ličio chemijų teritorija.
Techninis pjūvis
Elektrolitas: kietasis polimerinis elektrolitas, paremtas polietileno oksidu ir natrio druska, su pridėtais 2 nm GCN lakštais.
Jonų pernaša: joninis laidumas esant 55 °C padidėjo daugiau nei dvigubai, o natrio jonų pernašos skaičius išaugo nuo 0,19 iki 0,51.
Atsparumas dendritams: kompozitinis elektrolitas veikė 1000 valandų esant 0,1 mA/cm² ir daugiau nei 2000 valandų esant 0,2 mA/cm².
Pilna celė: po 500 ciklų esant 0,5C išlaikyta 95 proc. talpos, kuloninis efektyvumas siekė apie 99,97 proc.
Pagrindinis apribojimas: technologijai dar reikia žemesnių darbinių temperatūrų ir didesnio formato prototipų.
Proveržis tikras, bet tikras ir atstumas tarp sumanios laboratorinės celės ir baterijų paketo, kuris turi ištverti metų metus įkrovimo, šalčio, karščio ir nekantrių vairuotojų.
