Cercetătorii din Singapore prelungesc viața bateriilor cu electrolit solid, dar revoluția pentru mașinile electrice mai are pași de făcut

Soluția atacă două slăbiciuni vechi ale bateriilor cu sodiu

Sodiul nu reprezintă o noutate în chimia bateriilor, dar versiunile cu electrolit solid s-au lovit constant de două probleme. Ionii de sodiu se deplasează prea lent prin polimer, iar anodul din sodiu metalic poate dezvolta dendrite în timpul încărcării. Aceste structuri asemănătoare unor ace pot străpunge celula și pot provoca un scurtcircuit.

O echipă de la College of Design and Engineering al National University of Singapore și-a publicat cercetarea în Advanced Functional Materials. Cercetătorii au adăugat nitrură de carbon grafitică, GCN, într-un electrolit bazat pe oxid de polietilenă și o sare de sodiu. Materialul se obține prin încălzirea ureei în aer până la 550 °C, formând foi cu grosime de aproximativ 2 nm.

În interiorul electrolitului, GCN face simultan două lucruri utile. Mai întâi, fragmentează regiunile cristaline rigide ale polimerului și creează mai multe zone amorfe, prin care ionii de sodiu se pot mișca mai liber. Apoi, siturile de suprafață bogate în azot ajută la separarea ionilor de sodiu de contraionii sării, crescând numărul de transfer al ionilor de sodiu de la 0,19 la 0,51. Conductivitatea ionică la 55 °C a crescut de peste două ori.

Încetinirea dendritelor contează cel mai mult

Un anod din sodiu metalic oferă o densitate energetică teoretică ridicată, dar metalul se depune neuniform în timpul încărcării. De aici încep să crească dendritele, care amenință celula din interior.

Electrolitul compozit cu GCN s-a dovedit de trei ori mai rezistent mecanic decât polimerul inițial. Mai important, a contribuit la formarea unui strat protector anorganic pe bază de sodiu pe suprafața anodului, ghidând o depunere mai uniformă a metalului. Într-un test comparativ, electrolitul polimeric nemodificat a intrat în scurtcircuit după 250 de ore la o densitate de curent de 0,1 mA pe cm². Electrolitul cu GCN a funcționat 1000 de ore la aceeași sarcină și peste 2000 de ore la 0,2 mA pe cm².

La aceeași densitate de curent, testul a indicat o îmbunătățire de aproximativ patru ori a duratei de viață a bateriei. Sub o solicitare mai dură, a trecut de 2000 de ore. Contează, pentru că rezistența la dendrite spune mai multe despre siguranța practică a unei baterii solide cu anod metalic decât orice cifră izolată de putere pusă în titlu.

Celula completă a demonstrat o durată bună de viață la ciclare

Cercetătorii au construit și o celulă completă cu electrolit solid, folosind un catod din fosfat de sodiu-vanadiu dopat cu zinc și acoperit cu carbon, plus un anod din sodiu metalic. La o rată de încărcare și descărcare de 0,5C, celula a păstrat 95% din capacitate după 500 de cicluri, iar eficiența coulombică a ajuns la aproximativ 99,97%. Pe scurt, 1C înseamnă încărcarea unei baterii în aproximativ o oră, iar 2C în aproximativ jumătate de oră.

Pentru a demonstra siguranța mecanică, echipa a realizat și o celulă tip pouch cu un singur strat, care a alimentat un LED în timp ce era pliată, depliată și tăiată. Asta nu dovedește că tehnologia este gata pentru un pachet de baterii auto, dar arată de ce electroliții solizi au un avantaj de siguranță față de celulele cu electrolit lichid.

Nu este încă un rival CATL pentru mașinile electrice

Pentru industria auto, rezultatul trebuie judecat în raport cu tehnologiile care se apropie deja de producție, nu cu un ideal de laborator. Bateria sodiu-ion Naxtra de la CATL se îndreaptă spre utilizare de serie împreună cu Changan, iar CATL indică o densitate energetică a celulei de până la 175 Wh/kg. Într-o arhitectură cell-to-pack, aceasta ar putea permite o autonomie de peste 400 km, cu o țintă viitoare de 500 până la 600 km. Nu este însă o baterie cu sodiu metalic și electrolit solid.

Cercetarea din Singapore joacă în altă ligă. Punctul ei forte nu este autonomia maximă, cel puțin nu deocamdată. Este siguranța, folosirea unor materii prime mai ieftine și posibilitatea reducerii dependenței de litiu. Limitarea majoră rămâne temperatura de operare. Cercetătorii au obținut cel mai bun rezultat la 55 °C, în timp ce următoarea țintă este funcționarea stabilă la 45 °C. O baterie pentru o mașină electrică europeană trebuie să funcționeze într-un interval climatic mult mai larg, nu doar într-un laborator cald.

Europa ar putea simți impactul mai întâi în stocare, nu în mașini electrice de performanță

Europa are cea mai urgentă nevoie de baterii ieftine și sigure, cu risc mai redus al materiilor prime, în stocarea pentru rețea și pentru parcuri solare. În aceste aplicații, energia pe kilogram contează mai puțin decât prețul, siguranța la incendiu, durata de viață în cicluri și costurile de mentenanță. Aici ar putea începe o baterie cu sodiu și electrolit solid să pună presiune pe bateriile LFP.

În mașinile electrice, chimia pe bază de sodiu va apărea probabil mai întâi în modele urbane mai ieftine, vehicule comerciale și modele pentru climate mai reci, unde prețul și toleranța la temperatură pot cântări mai mult decât densitatea energetică mai mică. Modelele electrice premium și cele cu autonomie mare vor rămâne, în următorii câțiva ani, teritoriul chimiilor cu litiu de energie ridicată.

Tabloul tehnic

Electrolit: electrolit polimeric solid bazat pe oxid de polietilenă și sare de sodiu, cu foi GCN de 2 nm adăugate.

Transport ionic: conductivitatea ionică a crescut de peste două ori la 55 °C, iar numărul de transfer al ionilor de sodiu a urcat de la 0,19 la 0,51.

Rezistență la dendrite: electrolitul compozit a funcționat 1000 de ore la 0,1 mA pe cm² și peste 2000 de ore la 0,2 mA pe cm².

Celulă completă: păstrare a capacității de 95% după 500 de cicluri la 0,5C, cu eficiență coulombică de aproximativ 99,97%.

Limitare principală: tehnologia are încă nevoie de temperaturi de operare mai joase și de prototipuri în format mai mare.

Descoperirea este reală, dar la fel de reală rămâne distanța dintre o celulă inteligentă de laborator și un pachet de baterii care trebuie să reziste ani întregi la încărcări repetate, îngheț, căldură și șoferi nerăbdători.