Singapuri teadlased pikendasid tahkisaku eluiga, kuid elektriauto läbimurdeni jääb veel mitu sammu

Naatrium-ioonaku üks suuremaid lubadusi on odavam ja geopoliitiliselt lihtsam energiasalvestus. National University of Singapore’i teadlased lisasid tahkesse polümeerelektrolüüti odavat grafiitset süsiniknitriidi ning said aku, mis pidas laborikatses paremini vastu dendriitidele, juhtis ioone kiiremini ja säilitas 500 tsükli järel 95 protsenti mahutavusest. See kõlab nagu elektriautode uudis, kuid praegu näitab töö kõige tugevamat potentsiaali statsionaarsetes akupankades.

Lahendus ründab naatriumaku kahte vana nõrkust

Naatrium pole akukeemias uus tulija, kuid selle tahkiselektrolüüdiga versioonid on seni komistanud kahe probleemi otsa: naatriumiioonid liiguvad polümeeris liiga aeglaselt ja metallnaatriumi anood kasvatab laadimisel dendriite, mis võivad elemendi lühisesse viia.

National University of Singapore’i College of Design and Engineeringu töörühm, avaldas ajakirjas Advanced Functional Materials töö, kus polüetüleenoksiidil ja naatriumisoolal põhinevasse elektrolüüti lisati grafiitset süsiniknitriidi ehk GCN-i. Materjal sünnib karbamiidi kuumutamisel õhus 550 kraadini ja moodustab umbes 2 nm paksused lehed.

GCN teeb elektrolüüdis kahte asja korraga. Esiteks lõhub see polümeeri jäiku kristalseid piirkondi ja tekitab amorfsemaid tsoone, kus naatriumiioonid liiguvad vabamalt. Teiseks seovad lämmastikurikkad pinnakohad naatriumiioone soola vastasioonidest lahti, tõstes Na-iooni ülekandearvu 0,19-lt 0,51-ni. Ioonjuhtivus kasvas 55 °C juures üle kahe korra.

Dendriitide pidurdamine on siin kõige tähtsam osa

Naatrium-metallanood annab teoreetiliselt tugeva energiatiheduse, kuid metall ladestub laadimisel ebaühtlaselt. Nii kasvavad nõeljad dendriidid, mis tungivad elektrolüüdist läbi ja võivad elemendi hävitada.

GCN-iga komposiitelektrolüüt osutus kolm korda tugevamaks kui algne polümeer. Veel olulisemalt aitas see kujundada anoodi pinnale kaitsvat naatriumipõhist anorgaanilist kihti, mis suunas metalli ladestumist ühtlasemaks. Võrdluskatses läks muutmata polümeerelektrolüüt 0,1 mA/cm² voolutiheduse juures lühisesse 250 tunniga, GCN-iga elektrolüüt töötas samal koormusel 1000 tundi ja 0,2 mA/cm² juures üle 2000 tunni.

Sama voolutiheduse juures näitas katse aku eluea umbes neljakordset paranemist, karmimal koormusel ületas tööaeg 2000 tundi. Uudis on siiski tugev, sest dendriidikindlus määrab tahkismetallaku praktilise ohutuse rohkem kui üksik võimsusnumber.

Täisaku näitas head tsüklitaluvust

Teadlased ehitasid ka tervikliku tahkiselektrolüüdiga elemendi, kus katoodiks oli süsinikkattega tsingiga legeeritud naatrium-vanaadiumfosfaat ja anoodiks metallnaatrium. 0,5C laadimis- ja tühjenduskiirusel säilitas element 500 tsükli järel 95 protsenti mahutavusest ning laenguülekande kasutegur ulatus ligikaudu 99,97 protsendini. 1C tähendab aku täislaadimist umbes ühe tunniga, 2C umbes poole tunniga.

Mehaanilise ohutuse näitamiseks koostas töörühm ühekihilise taskuelemendi, mis toitis LED-i ka voltimisel, lahti voltimisel ja lõikamisel. See katse ei tõesta veel autoakupaki valmidust, kuid näitab, miks tahke elektrolüüt pakub vedela elektrolüüdiga elementide ees ohutuseelist.

Elektriautode jaoks pole see veel CATL-i rivaal

Autotööstuse vaates peab seda tulemust võrdlema mitte laboriideaaliga, vaid sellega, mis juba tootmisse liigub. CATL-i Naxtra naatrium-ioonaku jõuab Changaniga seeriatootmisega seotud kasutusse ning CATL nimetab elemendi energiatiheduseks kuni 175 Wh/kg. See lubab Cell-to-Pack lahenduses üle 400 km sõiduulatust ja tulevikus 500-600 km sihti, kuid tegu pole tahkiselektrolüüdiga metallnaatriumakuga.

NUS-i lahendus mängib teistsugust mängu. Selle tugevus pole praegu maksimaalne sõiduulatus, vaid ohutus, odavam tooraine ja võimalus vähendada sõltuvust liitiumist. Suur piirang jääb töötemperatuuriks: praegune tugev näitaja tuli 55 °C juures, teadlased sihivad järgmise sammuna stabiilset tööd 45 °C juures. Euroopa elektriautos peab aku töötama märksa laiemas kliimaaknas, mitte ainult soojas laborirežiimis.

Euroopa turu tähendus tuleb esmalt salvestusest, mitte sportlikest elektriautodest

Euroopas vajab odav, ohutu ja tooraineriskidest vähem sõltuv aku kõige kiiremini võrgu- ja päikeseparkide salvestuses. Seal loeb kilogrammi kohta salvestatav energia vähem kui hind, tuleohutus, tsüklitaluvus ja hoolduskulu. Just selles nišis võib tahkiselektrolüüdiga naatriumaku hakata LFP-akusid survestama.

Elektriautodes sobib naatriumkeemia esmalt soodsamatesse linnaautodesse, tarbesõidukitesse ja külma kliima mudelitesse, kus odavus ja temperatuuritaluvus kaaluvad üles väiksema energiatiheduse. Premium-EV ja pika sõiduulatusega mudelid jäävad lähiaastatel endiselt suure energiatihedusega liitiumkeemiate mängumaaks.

Tehniline lühikokkuvõte
Elektrolüüt: polüetüleenoksiidil ja naatriumisoolal põhinev tahke polümeerelektrolüüt, millele lisati 2 nm GCN-lehti.
Ioontransport: ioonjuhtivus kasvas 55 °C juures üle kahe korra, Na-iooni ülekandearv tõusis 0,19-lt 0,51-ni.
Dendriidikindlus: komposiitelektrolüüt töötas 0,1 mA/cm² juures 1000 tundi ja 0,2 mA/cm² juures üle 2000 tunni.
Täiselement: 95 protsenti mahutavust pärast 500 tsüklit 0,5C juures, kuloniline kasutegur umbes 99,97 protsenti.
Peamine piirang: tehnoloogia vajab veel madalamat töötemperatuuri ja suurema formaadiga prototüüpe.