Singapurski raziskovalci podaljšali življenjsko dobo natrijeve baterije s trdnim elektrolitom

Rešitev cilja na dve stari slabosti natrijevih baterij

Natrij v kemiji baterij ni novinec, vendar se izvedbe s trdnim elektrolitom že dolgo spopadajo z dvema vztrajnima težavama. Natrijevi ioni se skozi polimer premikajo prepočasi, natrijeva kovinska anoda pa lahko med polnjenjem razvije dendrite. Te igličaste strukture lahko prebodejo celico in povzročijo kratek stik.

Ekipa s College of Design and Engineering na National University of Singapore je svoje delo objavila v reviji Advanced Functional Materials. Raziskovalci so elektrolitu na osnovi polietilen oksida in natrijeve soli dodali grafitni ogljikov nitrid oziroma GCN. Material nastane s segrevanjem sečnine na zraku do 550 °C, pri čemer se oblikujejo listi debeline približno 2 nm.

GCN v elektrolitu hkrati opravi dve koristni nalogi. Najprej razbije toge kristalinične dele polimera in ustvari več amorfnih območij, kjer se natrijevi ioni gibljejo svobodneje. Poleg tega z dušikom bogata površinska mesta pomagajo ločiti natrijeve ione od protiionov soli, zato se je prenosno število natrijevih ionov povečalo z 0,19 na 0,51. Ionska prevodnost pri 55 °C se je več kot podvojila.

Najbolj pomembno je upočasniti dendrite

Natrijeva kovinska anoda ponuja visoko teoretično energijsko gostoto, vendar se kovina med polnjenjem odlaga neenakomerno. Tam začnejo rasti dendriti, ki celico ogrožajo od znotraj.

Kompozitni elektrolit z GCN se je izkazal za trikrat močnejšega od prvotnega polimera. Še pomembneje, na površini anode je pomagal oblikovati zaščitno anorgansko plast na osnovi natrija, ki usmerja enakomernejše odlaganje kovine. V primerjalnem testu je nespremenjeni polimerni elektrolit pri gostoti toka 0,1 mA na cm² povzročil kratek stik po 250 urah. Elektrolit z GCN je pri enaki obremenitvi deloval 1000 ur, pri 0,2 mA na cm² pa več kot 2000 ur.

Pri enaki gostoti toka je test pokazal približno štirikratno izboljšanje življenjske dobe baterije. Pri zahtevnejši obremenitvi je presegla 2000 ur. To je pomembno, ker odpornost proti dendritom o praktični varnosti trdne kovinske baterije pove več kot katerakoli posamezna odmevna številka o zmogljivosti.

Celotna celica je pokazala dobro ciklično obstojnost

Raziskovalci so izdelali tudi celotno celico s trdnim elektrolitom, s katodo iz s cinkom dopiranega natrijevega vanadijevega fosfata z ogljikovo prevleko in natrijevo kovinsko anodo. Pri hitrosti polnjenja in praznjenja 0,5C je celica po 500 ciklih ohranila 95 odstotkov kapacitete, kulonska učinkovitost pa je dosegla približno 99,97 odstotka. Preprosto povedano, 1C pomeni polnjenje baterije v približno eni uri, 2C pa v približno pol ure.

Za prikaz mehanske varnosti je ekipa izdelala še enoslojno vrečasto celico, ki je napajala LED med prepogibanjem, razvijanjem in rezanjem. To ne dokazuje pripravljenosti za baterijski paket električnega avtomobila, kaže pa, zakaj trdni elektroliti ponujajo varnostno prednost pred celicami s tekočim elektrolitom.

To še ni tekmec CATL za električne avtomobile

Avtomobilska industrija mora tak rezultat presojati glede na tehnologije, ki se že približujejo proizvodnji, ne glede na laboratorijski ideal. CATL-ova natrij-ionska baterija Naxtra je na poti v serijsko uporabo s Changanom, CATL pa za celico navaja energijsko gostoto do 175 Wh na kg. V zasnovi cell-to-pack bi to lahko omogočilo več kot 400 km dosega, prihodnji cilj pa je 500 do 600 km. Vendar to ni natrijeva kovinska baterija s trdnim elektrolitom.

Singapurska raziskava ima drugačen poudarek. Njena prednost ni največji doseg, vsaj za zdaj ne. Prednosti so varnost, cenejše surovine in možnost zmanjšanja odvisnosti od litija. Glavna omejitev ostaja delovna temperatura. Najboljši rezultat so raziskovalci dosegli pri 55 °C, naslednji cilj pa je stabilno delovanje pri 45 °C. Baterija za evropski električni avtomobil mora delovati v precej širšem podnebnem oknu, ne le v toplem laboratorijskem okolju.

Evropa bo učinek morda najprej občutila pri hranilnikih, ne pri zmogljivih električnih avtomobilih

Evropa poceni in varne baterije z manjšim surovinskim tveganjem najnujneje potrebuje pri omrežnih hranilnikih in hranilnikih za sončne elektrarne. V teh aplikacijah je energija na kilogram manj pomembna od cene, požarne varnosti, ciklične življenjske dobe in stroškov vzdrževanja. To je niša, kjer bi natrijeva baterija s trdnim elektrolitom lahko začela pritiskati na baterije LFP.

V električnih avtomobilih se bo natrijeva kemija najverjetneje najprej pojavila v cenejših mestnih avtomobilih, gospodarskih vozilih in modelih za hladnejša podnebja, kjer lahko cena in temperaturna toleranca odtehtata nižjo energijsko gostoto. Premijski električni avtomobili in modeli z velikim dosegom bodo še nekaj naslednjih let ostali domena visokoenergijskih litijevih kemij.

Tehnični prerez

Elektrolit: trdni polimerni elektrolit na osnovi polietilen oksida in natrijeve soli, z dodanimi 2 nm listi GCN.

Prenos ionov: ionska prevodnost se je pri 55 °C več kot podvojila, prenosno število natrijevih ionov pa se je povečalo z 0,19 na 0,51.

Odpornost proti dendritom: kompozitni elektrolit je deloval 1000 ur pri 0,1 mA na cm² in več kot 2000 ur pri 0,2 mA na cm².

Celotna celica: 95-odstotno ohranjanje kapacitete po 500 ciklih pri 0,5C, s kulonsko učinkovitostjo približno 99,97 odstotka.

Glavna omejitev: tehnologija še vedno potrebuje nižje delovne temperature in prototipe večjega formata.

Preboj je resničen, prav tako pa tudi razkorak med domiselno laboratorijsko celico in baterijskim paketom, ki preživi leta polnjenja, mraz, vročino in nestrpne voznike.