Singapurští vědci prodloužili životnost baterie s pevným elektrolytem, průlom pro elektromobily ale ještě čeká
Jedním z velkých příslibů sodíko-iontových baterií je levnější a geopoliticky jednodušší ukládání energie. Výzkumníci z National University of Singapore přidali do pevného polymerního elektrolytu levný grafitický nitrid uhlíku a vytvořili článek, který lépe odolával dendritům, rychleji vedl ionty a po 500 cyklech v laboratorním testu si udržel 95 procent kapacity. Zní to jako zpráva pro elektromobily. Zatím ale výsledek míří bezprostředněji na stacionární bateriová úložiště.
Řešení míří na dvě staré slabiny sodíkových baterií
Sodík není v bateriové chemii žádným nováčkem, verze s pevným elektrolytem ale dlouhodobě narážejí na dva problémy. Sodíkové ionty se polymerem pohybují příliš pomalu a sodíková kovová anoda může při nabíjení vytvářet dendrity. Tyto jehlicovité struktury dokážou prorazit článek a způsobit zkrat.
Tým z College of Design and Engineering při National University of Singapore publikoval svou práci v časopise Advanced Functional Materials. Výzkumníci přidali grafitický nitrid uhlíku, tedy GCN, do elektrolytu založeného na polyethylenoxidu a sodné soli. Materiál vzniká zahříváním močoviny na vzduchu na 550 °C a tvoří vrstvy o tloušťce zhruba 2 nm.
Uvnitř elektrolytu dělá GCN dvě užitečné věci najednou. Zaprvé narušuje tuhé krystalické oblasti polymeru a vytváří více amorfních zón, v nichž se sodíkové ionty mohou pohybovat volněji. Zadruhé povrchová místa bohatá na dusík pomáhají oddělovat sodíkové ionty od protiiontů soli, čímž zvyšují transportní číslo sodíkových iontů z 0,19 na 0,51. Iontová vodivost při 55 °C se více než zdvojnásobila.
Nejdůležitější je zpomalit dendrity
Sodíková kovová anoda nabízí vysokou teoretickou energetickou hustotu, kov se však při nabíjení ukládá nerovnoměrně. Právě tam začínají růst dendrity, které článek ohrožují zevnitř.
Kompozitní elektrolyt s GCN se ukázal jako třikrát pevnější než původní polymer. Ještě důležitější je, že pomohl na povrchu anody vytvořit ochrannou anorganickou vrstvu na bázi sodíku, která vedla k rovnoměrnějšímu ukládání kovu. Ve srovnávacím testu se nezměněný polymerní elektrolyt zkratoval po 250 hodinách při proudové hustotě 0,1 mA na cm². Elektrolyt s GCN běžel při stejné zátěži 1000 hodin a při 0,2 mA na cm² více než 2000 hodin.
Při stejné proudové hustotě tak test ukázal přibližně čtyřnásobné zlepšení životnosti baterie. Při náročnějším zatížení překročil 2000 hodin. To je důležité, protože odolnost proti dendritům vypovídá o praktické bezpečnosti baterie s pevným elektrolytem a kovovou anodou víc než jakýkoli jediný bombastický údaj o výkonu.
Kompletní článek ukázal solidní cyklickou životnost
Výzkumníci sestavili také kompletní článek s pevným elektrolytem, uhlíkem potaženou katodou ze sodno-vanadičného fosfátu dopovaného zinkem a sodíkovou kovovou anodou. Při rychlosti nabíjení a vybíjení 0,5C si článek po 500 cyklech udržel 95 procent kapacity, zatímco coulombická účinnost dosáhla zhruba 99,97 procenta. Jednoduše řečeno, 1C znamená nabití baterie přibližně za jednu hodinu, zatímco 2C zhruba za půl hodiny.
Pro demonstraci mechanické bezpečnosti tým vyrobil také jednovrstvý pouchový článek, který napájel LED diodu při ohýbání, narovnání i po nastřižení. To nedokazuje připravenost pro bateriový pack elektromobilu, ukazuje to však, proč pevné elektrolyty nabízejí bezpečnostní výhodu proti článkům s kapalným elektrolytem.
Konkurence pro CATL v elektromobilech to zatím není
Automobilový průmysl musí tento výsledek posuzovat proti tomu, co už míří do výroby, ne proti laboratornímu ideálu. Sodíko-iontová baterie CATL Naxtra směřuje k sériovému nasazení u značky Changan a CATL u článku uvádí energetickou hustotu až 175 Wh/kg. V uspořádání cell-to-pack by to mohlo umožnit dojezd přes 400 km, s budoucím cílem 500 až 600 km. Nejde však o sodíkovou baterii s kovovou anodou a pevným elektrolytem.
Singapurská práce hraje jinou hru. Její silnou stránkou není maximální dojezd, alespoň zatím ne. Jsou jí bezpečnost, levnější suroviny a možnost snížit závislost na lithiu. Hlavním limitem zůstává provozní teplota. Nejsilnější výsledek přišel při 55 °C, zatímco dalším cílem je stabilní provoz při 45 °C. Evropská baterie pro elektromobil musí fungovat v mnohem širším klimatickém okně, nejen v teplém laboratorním prostředí.
Evropa může dopad pocítit nejdřív v úložištích, ne ve výkonných elektromobilech
Evropa nejnaléhavěji potřebuje levné a bezpečné baterie s nižším surovinovým rizikem v síťových úložištích a akumulaci pro solární parky. V těchto aplikacích záleží na energii na kilogram méně než na ceně, požární bezpečnosti, cyklické životnosti a nákladech na údržbu. Právě v této nice by sodíková baterie s pevným elektrolytem mohla začít tlačit na LFP baterie.
V elektromobilech se sodíková chemie pravděpodobně objeví nejdřív v levnějších městských autech, užitkových vozech a modelech pro chladnější klima, kde cena a teplotní tolerance mohou převážit nižší energetickou hustotu. Prémiové elektromobily a modely s dlouhým dojezdem zůstanou v příštích několika letech teritoriem vysokoenergetických lithiových chemií.
Technický přehled
Elektrolyt: pevný polymerní elektrolyt na bázi polyethylenoxidu a sodné soli s přidanými 2nm vrstvami GCN.
Transport iontů: iontová vodivost se při 55 °C více než zdvojnásobila, zatímco transportní číslo sodíkových iontů vzrostlo z 0,19 na 0,51.
Odolnost proti dendritům: kompozitní elektrolyt běžel 1000 hodin při 0,1 mA na cm² a více než 2000 hodin při 0,2 mA na cm².
Kompletní článek: udržení 95 procent kapacity po 500 cyklech při 0,5C s coulombickou účinností zhruba 99,97 procenta.
Hlavní omezení: technologie stále potřebuje nižší provozní teploty a prototypy většího formátu.
Průlom je skutečný, ale stejně skutečná je i mezera mezi chytrým laboratorním článkem a bateriovým packem, který přežije roky nabíjení, mráz, horko a netrpělivé řidiče.
