Сингапурские исследователи продлили ресурс твердотельной натриевой батареи, но до прорыва в электромобилях еще далеко

Решение бьет сразу по двум старым слабым местам натриевых батарей.

Натрий давно известен в аккумуляторной химии, но версии с твердым электролитом упирались в две устойчивые проблемы. Ионы натрия слишком медленно проходят через полимер, а натриевый металлический анод во время зарядки может наращивать дендриты. Эти игольчатые структуры способны пробить ячейку и вызвать короткое замыкание.

Команда Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура опубликовала работу в Advanced Functional Materials. Исследователи добавили графитовый нитрид углерода, GCN, в электролит на основе полиэтиленоксида и натриевой соли. Материал получают нагревом мочевины на воздухе до 550 °C, в результате формируются листы толщиной около 2 нм.

Внутри электролита GCN выполняет сразу две полезные функции. Во-первых, он разрушает жесткие кристаллические области полимера и создает больше аморфных зон, где ионы натрия могут двигаться свободнее. Во-вторых, богатые азотом участки поверхности помогают отделять ионы натрия от противоионов соли, повышая число переноса ионов натрия с 0,19 до 0,51. Ионная проводимость при 55 °C выросла более чем вдвое.

Главное, что удалось замедлить рост дендритов.

Натриевый металлический анод обещает высокую теоретическую плотность энергии, но при зарядке металл осаждается неравномерно. Именно там начинают расти дендриты, угрожая ячейке изнутри.

Композитный электролит с GCN оказался втрое прочнее исходного полимера. Что важнее, он помог сформировать на поверхности анода защитный неорганический слой на основе натрия, направляя более равномерное осаждение металла. В сравнительном испытании неизмененный полимерный электролит коротко замкнул через 250 часов при плотности тока 0,1 мА/см². Электролит с GCN проработал 1000 часов при той же нагрузке и более 2000 часов при 0,2 мА/см².

При той же плотности тока тест показал примерно четырехкратное увеличение срока службы батареи. При более жесткой нагрузке показатель превысил 2000 часов. Это важно, потому что устойчивость к дендритам говорит о практической безопасности твердотельной металлической батареи больше, чем любая эффектная цифра пиковой мощности.

Полноценная ячейка тоже показала уверенный циклический ресурс.

Исследователи собрали полную ячейку с твердым электролитом, катодом из легированного цинком натрий-ванадий-фосфата с углеродным покрытием и натриевым металлическим анодом. При скорости заряда и разряда 0,5C ячейка сохранила 95% емкости после 500 циклов, а кулоновская эффективность достигла примерно 99,97%. Проще говоря, 1C означает заряд батареи примерно за один час, а 2C, примерно за полчаса.

Чтобы показать механическую безопасность, команда также изготовила однослойную pouch-ячейку, которая питала светодиод в сложенном, разложенном и разрезанном состоянии. Это не доказывает готовность к аккумуляторному блоку электромобиля, но хорошо показывает, почему твердые электролиты дают преимущество по безопасности перед ячейками с жидким электролитом.

Пока это не соперник CATL для электромобилей.

Для автопрома этот результат нужно оценивать не на фоне лабораторного идеала, а в сравнении с тем, что уже движется к производству. Натрий-ионная батарея CATL Naxtra идет к серийному применению вместе с Changan, а CATL заявляет для ячейки плотность энергии до 175 Вт·ч/кг. В архитектуре cell-to-pack это может обеспечить запас хода более 400 км, с будущей целью 500-600 км. Однако это не твердотельная натриево-металлическая батарея.

Сингапурская разработка играет в другую игру. Ее сильная сторона, по крайней мере пока, не максимальный запас хода. Это безопасность, более дешевые сырьевые материалы и возможность снизить зависимость от лития. Главным ограничением остается рабочая температура. Самый сильный результат получен при 55 °C, а следующая цель, стабильная работа при 45 °C. Европейская батарея для электромобиля должна работать в гораздо более широком климатическом диапазоне, а не только в теплых лабораторных условиях.

В Европе эффект может сначала проявиться в накопителях, а не в быстрых электромобилях.

Европе особенно нужны дешевые и безопасные батареи с меньшими сырьевыми рисками для сетевых накопителей и хранилищ при солнечных электростанциях. В таких применениях удельная энергия на килограмм менее важна, чем цена, пожаробезопасность, циклический ресурс и стоимость обслуживания. Именно в этой нише твердотельная натриевая батарея может начать давить на LFP-аккумуляторы.

В электромобилях натриевая химия, вероятно, сначала появится в более дешевых городских машинах, коммерческом транспорте и моделях для холодного климата, где цена и температурная устойчивость могут перевесить более низкую плотность энергии. Премиальные электромобили и дальнобойные модели в ближайшие несколько лет останутся территорией высокоэнергетических литиевых химий.

Техническая картина выглядит так.

Электролит: твердый полимерный электролит на основе полиэтиленоксида и натриевой соли с добавлением листов GCN толщиной 2 нм.

Перенос ионов: ионная проводимость при 55 °C выросла более чем вдвое, а число переноса ионов натрия увеличилось с 0,19 до 0,51.

Устойчивость к дендритам: композитный электролит проработал 1000 часов при 0,1 мА/см² и более 2000 часов при 0,2 мА/см².

Полная ячейка: сохранение 95% емкости после 500 циклов при 0,5C, кулоновская эффективность около 99,97%.

Главное ограничение: технологии все еще нужны более низкие рабочие температуры и прототипы большего формата.

Прорыв реален. Но столь же реален и разрыв между умной лабораторной ячейкой и батарейным блоком, который годами выдерживает зарядки, мороз, жару и нетерпеливых водителей.