Badacze z Singapuru wydłużyli życie baterii ze stałym elektrolitem, ale przełom dla aut elektrycznych wymaga kolejnych kroków

Rozwiązanie uderza w dwie stare słabości baterii sodowych

Sód nie jest nowością w chemii akumulatorowej, ale odmiany ze stałym elektrolitem od lat zmagają się z dwoma uporczywymi problemami. Jony sodu poruszają się przez polimer zbyt wolno, a metaliczna anoda sodowa może podczas ładowania tworzyć dendryty. Te igłowate struktury potrafią przebić ogniwo i doprowadzić do zwarcia.

Zespół z College of Design and Engineering przy National University of Singapore opublikował swoje wyniki w „Advanced Functional Materials”. Badacze dodali azotek węgla o strukturze grafitowej, czyli GCN, do elektrolitu opartego na tlenku polietylenu i soli sodowej. Materiał powstaje przez ogrzewanie mocznika w powietrzu do 550 °C, co prowadzi do utworzenia arkuszy o grubości około 2 nm.

W elektrolicie GCN robi dwie przydatne rzeczy jednocześnie. Po pierwsze rozbija sztywne, krystaliczne obszary polimeru i tworzy więcej stref amorficznych, w których jony sodu mogą przemieszczać się swobodniej. Po drugie bogate w azot miejsca na powierzchni pomagają oddzielać jony sodu od przeciwjonów soli, podnosząc liczbę przenoszenia jonów sodu z 0,19 do 0,51. Przewodnictwo jonowe w 55 °C wzrosło ponad dwukrotnie.

Najważniejsze jest ograniczenie dendrytów

Metaliczna anoda sodowa oferuje wysoką teoretyczną gęstość energii, ale podczas ładowania metal osadza się nierównomiernie. Właśnie tam zaczynają rosnąć dendryty, które zagrażają ogniwu od środka.

Kompozytowy elektrolit z GCN okazał się trzykrotnie wytrzymalszy od pierwotnego polimeru. Co ważniejsze, pomógł utworzyć na powierzchni anody ochronną, nieorganiczną warstwę na bazie sodu, która sprzyjała bardziej równomiernemu osadzaniu metalu. W teście porównawczym niezmodyfikowany elektrolit polimerowy uległ zwarciu po 250 godzinach przy gęstości prądu 0,1 mA/cm². Elektrolit z GCN pracował przez 1000 godzin przy tym samym obciążeniu i ponad 2000 godzin przy 0,2 mA/cm².

Przy tej samej gęstości prądu test pokazał mniej więcej czterokrotną poprawę trwałości baterii. Pod większym obciążeniem elektrolit przekroczył 2000 godzin pracy. To istotne, bo odporność na dendryty mówi o praktycznym bezpieczeństwie baterii ze stałym elektrolitem i metaliczną anodą więcej niż pojedyncza, efektowna wartość mocy.

Pełne ogniwo pokazało solidną żywotność cykliczną

Naukowcy zbudowali także kompletne ogniwo ze stałym elektrolitem, z katodą z fosforanu sodowo-wanadowego domieszkowanego cynkiem i pokrytego węglem oraz z metaliczną anodą sodową. Przy ładowaniu i rozładowaniu z szybkością 0,5C ogniwo zachowało 95 proc. pojemności po 500 cyklach, a sprawność kulombowska wyniosła około 99,97 proc. W uproszczeniu 1C oznacza ładowanie akumulatora w mniej więcej godzinę, a 2C w około pół godziny.

Aby pokazać bezpieczeństwo mechaniczne, zespół przygotował też jednowarstwowe ogniwo pouch, które zasilało diodę LED podczas składania, rozkładania i cięcia. To nie dowodzi gotowości do pracy w pakiecie akumulatorowym samochodu elektrycznego, ale dobrze pokazuje, dlaczego stałe elektrolity dają przewagę bezpieczeństwa nad ogniwami z elektrolitem ciekłym.

To jeszcze nie rywal CATL dla samochodów elektrycznych

Z perspektywy branży motoryzacyjnej ten wynik trzeba oceniać na tle rozwiązań, które już zmierzają do produkcji, a nie wobec laboratoryjnego ideału. Sodowo-jonowa bateria CATL Naxtra ma trafić do zastosowań seryjnych z Changanem, a CATL podaje gęstość energii ogniwa do 175 Wh/kg. W układzie cell-to-pack mogłoby to pozwolić na ponad 400 km zasięgu, z przyszłym celem na poziomie 500-600 km. Nie jest to jednak bateria sodowo-metaliczna ze stałym elektrolitem.

Singapurska praca dotyczy innego obszaru. Jej siłą nie jest maksymalny zasięg, przynajmniej jeszcze nie teraz. Są nią bezpieczeństwo, tańsze surowce i możliwość ograniczenia zależności od litu. Głównym ograniczeniem pozostaje temperatura pracy. Najmocniejszy wynik uzyskano przy 55 °C, a kolejnym celem jest stabilna praca przy 45 °C. Europejski akumulator do samochodu elektrycznego musi działać w znacznie szerszym oknie klimatycznym, a nie tylko w ciepłych warunkach laboratoryjnych.

Europa może najpierw odczuć skutki w magazynach energii, nie w autach elektrycznych o dużym zasięgu

Europa najpilniej potrzebuje tanich, bezpiecznych baterii o niższym ryzyku surowcowym w magazynach energii dla sieci i farm słonecznych. W takich zastosowaniach energia na kilogram ma mniejsze znaczenie niż cena, bezpieczeństwo pożarowe, żywotność cykliczna i koszt utrzymania. To nisza, w której sodowa bateria ze stałym elektrolitem mogłaby zacząć wywierać presję na akumulatory LFP.

W samochodach elektrycznych chemia sodowa najpewniej pojawi się najpierw w tańszych autach miejskich, pojazdach użytkowych i modelach na chłodniejsze klimaty, gdzie cena i tolerancja temperatury mogą przeważyć nad niższą gęstością energii. Elektryki premium i modele dalekiego zasięgu przez najbliższe lata pozostaną domeną wysokoenergetycznych chemii litowych.

Techniczny skrót

Elektrolit: stały elektrolit polimerowy na bazie tlenku polietylenu i soli sodowej, z dodatkiem arkuszy GCN o grubości 2 nm.

Transport jonów: przewodnictwo jonowe wzrosło ponad dwukrotnie przy 55 °C, a liczba przenoszenia jonów sodu zwiększyła się z 0,19 do 0,51.

Odporność na dendryty: kompozytowy elektrolit pracował przez 1000 godzin przy 0,1 mA/cm² i ponad 2000 godzin przy 0,2 mA/cm².

Pełne ogniwo: 95 proc. zachowanej pojemności po 500 cyklach przy 0,5C, ze sprawnością kulombowską około 99,97 proc.

Główne ograniczenie: technologia nadal potrzebuje niższych temperatur pracy i prototypów w większym formacie.

Przełom jest realny, ale równie realna pozostaje przepaść między sprytnym ogniwem laboratoryjnym a pakietem akumulatorów, który przetrwa lata ładowania, mróz, upał i niecierpliwych kierowców.