Singapūras pētnieki pagarina cietvielu akumulatora mūžu, bet elektroauto izrāvienam vēl vajag vairākus soļus
Viens no lielākajiem nātrija jonu akumulatoru solījumiem ir lētāka un ģeopolitiski vienkāršāka enerģijas uzglabāšana. Singapūras Nacionālās universitātes pētnieki cietam polimēru elektrolītam pievienoja lētu grafītisko oglekļa nitrīdu un laboratorijas testos ieguva akumulatoru, kas efektīvāk pretojās dendrītiem, ātrāk pārvadīja jonus un pēc 500 cikliem saglabāja 95 procentus ietilpības. Tas izklausās pēc elektroauto nozares ziņas. Pagaidām šis darbs daudz tiešāk attiecas uz stacionārajām enerģijas krātuvēm.
Risinājums novērš divas senas nātrija akumulatoru vājības
Nātrijs akumulatoru ķīmijā nav jaunpienācējs, taču cietā elektrolīta versijas līdz šim cīnījušās ar divām noturīgām problēmām. Nātrija joni caur polimēru pārvietojas pārāk lēni, bet nātrija metāla anods uzlādes laikā var veidot dendrītus. Šīs adatveida struktūras spēj caurdurt elementu un izraisīt īssavienojumu.
Singapūras Nacionālās universitātes Dizaina un inženierzinātņu koledžas komanda savu darbu publicēja žurnālā Advanced Functional Materials. Pētnieki elektrolītam, kura pamatā ir polietilēnoksīds un nātrija sāls, pievienoja grafītisko oglekļa nitrīdu jeb GCN. Materiālu iegūst, karsējot urīnvielu gaisā līdz 550 °C, un tas veido aptuveni 2 nm biezas loksnes.
Elektrolītā GCN vienlaikus paveic divas noderīgas lietas. Pirmkārt, tas izjauc polimēra stingros kristāliskos apgabalus un rada vairāk amorfu zonu, kur nātrija joni var kustēties brīvāk. Otrkārt, ar slāpekli bagātās virsmas vietas palīdz atdalīt nātrija jonus no sāls pretjoniem, palielinot nātrija jonu pārneses skaitli no 0,19 līdz 0,51. Jonu vadītspēja pie 55 °C vairāk nekā dubultojās.
Svarīgākais ir piebremzēt dendrītus
Nātrija metāla anods teorētiski piedāvā augstu enerģijas blīvumu, taču uzlādes laikā metāls nogulsnējas nevienmērīgi. Tieši tur sāk augt dendrīti, kas elementu apdraud no iekšpuses.
GCN kompozīta elektrolīts izrādījās trīsreiz stiprāks par sākotnējo polimēru. Vēl svarīgāk, tas palīdzēja uz anoda virsmas izveidot aizsargājošu neorganisku nātrija savienojumu slāni, kas veicināja vienmērīgāku metāla nogulsnēšanos. Salīdzinošā testā nemainītais polimēru elektrolīts pie strāvas blīvuma 0,1 mA/cm² īssavienojumu piedzīvoja pēc 250 stundām. GCN elektrolīts tajā pašā slodzē darbojās 1000 stundas, bet pie 0,2 mA/cm², vairāk nekā 2000 stundas.
Pie tā paša strāvas blīvuma tests parādīja aptuveni četrkāršu akumulatora mūža uzlabojumu. Smagākā slodzē tas pārsniedza 2000 stundas. Tas ir būtiski, jo izturība pret dendrītiem par cietā metāla akumulatora praktisko drošību pasaka vairāk nekā jebkurš atsevišķs skaļš jaudas rādītājs.
Pilna šūna parādīja pārliecinošu ciklu noturību
Pētnieki uzbūvēja arī pilnu cietā elektrolīta šūnu, izmantojot ar oglekli pārklātu, ar cinku dopētu nātrija vanādija fosfāta katodu un nātrija metāla anodu. Pie 0,5C uzlādes un izlādes ātruma šūna pēc 500 cikliem saglabāja 95 procentus ietilpības, bet Koulomba efektivitāte sasniedza aptuveni 99,97 procentus. Vienkārši sakot, 1C nozīmē akumulatora uzlādi aptuveni vienas stundas laikā, savukārt 2C, aptuveni pusstundas laikā.
Lai demonstrētu mehānisko drošību, komanda izgatavoja arī viena slāņa maisiņtipa šūnu, kas darbināja LED, kamēr to locīja, atlocīja un grieza. Tas nepierāda gatavību elektroauto akumulatora blokam, taču parāda, kāpēc cietie elektrolīti drošības ziņā var būt pārāki par šūnām ar šķidro elektrolītu.
Tas vēl nav CATL konkurents elektroauto tirgū
Auto industrijā šis rezultāts jāsalīdzina nevis ar laboratorijas ideālu, bet ar tehnoloģijām, kas jau virzās uz ražošanu. CATL Naxtra nātrija jonu akumulators kopā ar Changan tuvojas sērijveida izmantošanai, un CATL norāda šūnas enerģijas blīvumu līdz 175 Wh/kg. Šūna-bloks arhitektūrā tas varētu ļaut nobraukt vairāk nekā 400 km, ar nākotnes mērķi 500 līdz 600 km. Tomēr tas nav cietā elektrolīta nātrija metāla akumulators.
Singapūras pētījums strādā citā virzienā. Tā stiprā puse vismaz pagaidām nav maksimāls nobraukums. Tā ir drošība, lētākas izejvielas un iespēja mazināt atkarību no litija. Galvenais ierobežojums joprojām ir darba temperatūra. Spēcīgākais rezultāts iegūts pie 55 °C, bet nākamais mērķis ir stabila darbība pie 45 °C. Eiropas elektroauto akumulatoram jāstrādā daudz plašākā klimatiskajā diapazonā, ne tikai siltā laboratorijas vidē.
Eiropa ietekmi vispirms var sajust krātuvēs, nevis veiktspējas elektroauto
Eiropai lēti, droši akumulatori ar zemāku izejvielu risku vissteidzamāk vajadzīgi tīkla krātuvēm un saules parku enerģijas uzglabāšanai. Šajos pielietojumos enerģija uz kilogramu ir mazāk svarīga par cenu, ugunsdrošību, ciklu mūžu un uzturēšanas izmaksām. Tieši šajā nišā cietā elektrolīta nātrija akumulators varētu sākt radīt spiedienu uz LFP akumulatoriem.
Elektroauto jomā nātrija ķīmija, visticamāk, vispirms parādīsies lētākos pilsētas auto, komerctransportā un modeļos aukstākiem klimatiem, kur cena un temperatūras noturība var atsvērt zemāku enerģijas blīvumu. Premium klases elektroauto un tālā nobraukuma modeļi tuvākos dažus gadus paliks augstas enerģijas litija ķīmiju teritorija.
Tehniskais kopsavilkums
Elektrolīts: ciets polimēru elektrolīts uz polietilēnoksīda un nātrija sāls bāzes, kam pievienotas 2 nm GCN loksnes.
Jonu transports: jonu vadītspēja pie 55 °C vairāk nekā dubultojās, bet nātrija jonu pārneses skaitlis pieauga no 0,19 līdz 0,51.
Izturība pret dendrītiem: kompozīta elektrolīts darbojās 1000 stundas pie 0,1 mA/cm² un vairāk nekā 2000 stundas pie 0,2 mA/cm².
Pilna šūna: 95 procentu ietilpības saglabāšana pēc 500 cikliem pie 0,5C, ar aptuveni 99,97 procentu Koulomba efektivitāti.
Galvenais ierobežojums: tehnoloģijai joprojām vajadzīgas zemākas darba temperatūras un lielāka formāta prototipi.
Izrāviens ir īsts, taču tikpat īsta ir plaisa starp gudri izstrādātu laboratorijas šūnu un akumulatora bloku, kam gadiem jāiztur uzlāde, sals, karstums un nepacietīgi vadītāji.
