Singapore-forskere forlenger levetiden til faststoffbatterier, men elbilgjennombruddet krever flere steg
Et av de store løftene med natriumionbatterier er billigere energilagring og en enklere geopolitisk forsyningskjede. Forskere ved National University of Singapore tilsatte rimelig grafittisk karbonnitrid i en fast polymerelektrolytt og laget et batteri som motsto dendritter bedre, transporterte ioner raskere og beholdt 95 prosent av kapasiteten etter 500 sykluser i laboratorietester. Det høres ut som elbilnyheter. Foreløpig virker arbeidet likevel mest relevant for stasjonær batterilagring.
Løsningen angriper to gamle svakheter ved natriumbatterier
Natrium er ingen nykommer i batterikjemi, men varianter med fast elektrolytt har slitt med to seiglivede problemer. Natriumioner beveger seg for sakte gjennom polymeren, samtidig som natriummetallanoden kan danne dendritter under lading. Disse nålelignende strukturene kan trenge gjennom cellen og føre til kortslutning.
Et team fra College of Design and Engineering ved National University of Singapore har publisert arbeidet i Advanced Functional Materials. Forskerne tilsatte grafittisk karbonnitrid, GCN, i en elektrolytt basert på polyetylenoksid og et natriumsalt. Materialet lages ved å varme urea i luft til 550 °C, slik at det dannes flak på rundt 2 nm tykkelse.
Inne i elektrolytten gjør GCN to nyttige ting samtidig. Først bryter det opp de stive krystallinske områdene i polymeren og skaper flere amorfe soner, der natriumionene kan bevege seg friere. Deretter bidrar nitrogenrike overflatesteder til å skille natriumioner fra mot-ionene i saltet. Det løfter natriumionenes overføringstall fra 0,19 til 0,51. Ioneledningsevnen ved 55 °C mer enn doblet seg.
Å bremse dendritter betyr mest
En natriummetallanode har høy teoretisk energitetthet, men metallet avsettes ujevnt under lading. Der begynner dendrittene å vokse, og trusselen mot cellen kommer innenfra.
GCN-komposittelektrolytten viste seg å være tre ganger sterkere enn den opprinnelige polymeren. Enda viktigere var at den bidro til å danne et beskyttende natriumbasert uorganisk lag på anodeoverflaten, som styrte metallavsetningen jevnere. I en sammenligningstest kortsluttet den uendrede polymerelektrolytten etter 250 timer ved en strømtetthet på 0,1 mA per cm². GCN-elektrolytten holdt i 1000 timer ved samme belastning og i mer enn 2000 timer ved 0,2 mA per cm².
Ved samme strømtetthet viste testen omtrent en firedobling av batterilevetiden. Under hardere belastning passerte den 2000 timer. Det er viktig, fordi motstand mot dendritter sier mer om den praktiske sikkerheten i et faststoffbatteri med metallanode enn ett enkelt oppsiktsvekkende effekttall.
Den komplette cellen viste solid sykluslevetid
Forskerne bygde også en komplett faststoffcelle med en karbonbelagt, sinkdopet katode av natriumvanadiumfosfat og en natriummetallanode. Ved en lade- og utladingsrate på 0,5C beholdt cellen 95 prosent av kapasiteten etter 500 sykluser, mens coulombsk virkningsgrad nådde rundt 99,97 prosent. Enkelt sagt betyr 1C at et batteri lades på omtrent én time, mens 2C betyr rundt en halvtime.
For å demonstrere mekanisk sikkerhet laget teamet også en ettlags posecelle som drev en LED mens den ble brettet, brettet ut og kuttet. Det beviser ikke at teknologien er klar for en batteripakke i en elbil, men det viser hvorfor faste elektrolytter har et sikkerhetsfortrinn sammenlignet med celler med flytende elektrolytt.
Dette er ikke en CATL-rival for elbiler ennå
For bilindustrien må resultatet vurderes mot det som allerede er på vei mot produksjon, ikke mot et laboratorieideal. CATLs Naxtra-natriumionbatteri er på vei mot serieproduksjon hos Changan, og CATL oppgir celleenergitettheten til opptil 175 Wh per kg. I en cell-to-pack-løsning kan det gi mer enn 400 km rekkevidde, med et fremtidig mål på 500 til 600 km. Det er derimot ikke et faststoffbatteri med natriummetallanode.
Singapore-arbeidet spiller et annet spill. Styrken ligger ikke i maksimal rekkevidde, i hvert fall ikke ennå. Den ligger i sikkerhet, billigere råmaterialer og muligheten til å redusere avhengigheten av litium. Den store begrensningen er fortsatt driftstemperaturen. Det sterkeste resultatet kom ved 55 °C, mens neste mål er stabil drift ved 45 °C. Et europeisk elbilbatteri må fungere over et langt bredere klimavindu, ikke bare i et varmt laboratorium.
Europa kan merke effekten først i lagring, ikke i elbiler med høy ytelse
Europa trenger billige, sikre batterier med lavere råvarerisiko aller mest til nettlagring og lagring i solparker. I slike bruksområder betyr energi per kilogram mindre enn pris, brannsikkerhet, sykluslevetid og vedlikeholdskostnader. Det er nisjen der et natriumfaststoffbatteri kan begynne å legge press på LFP-batterier.
I elbiler vil natriumkjemi trolig dukke opp først i rimeligere bybiler, nyttekjøretøy og modeller for kaldere klima, der pris og temperaturtoleranse kan veie tyngre enn lavere energitetthet. Premium-elbiler og modeller med lang rekkevidde vil forbli området for litiumkjemier med høy energi de neste årene.
Teknisk øyeblikksbilde
Elektrolytt: en fast polymerelektrolytt basert på polyetylenoksid og natriumsalt, tilsatt 2 nm GCN-flak.
Ionetransport: ioneledningsevnen mer enn doblet seg ved 55 °C, mens natriumionenes overføringstall steg fra 0,19 til 0,51.
Dendrittmotstand: komposittelektrolytten holdt i 1000 timer ved 0,1 mA per cm² og mer enn 2000 timer ved 0,2 mA per cm².
Komplett celle: 95 prosent kapasitetsbevaring etter 500 sykluser ved 0,5C, med coulombsk virkningsgrad på rundt 99,97 prosent.
Hovedbegrensning: teknologien trenger fortsatt lavere driftstemperaturer og prototyper i større format.
Gjennombruddet er reelt. Det er også avstanden mellom en smart laboratoriecelle og en batteripakke som overlever år med lading, frost, varme og utålmodige sjåfører.
