Forskere i Singapore får faststofbatteri til at holde længere, men elbiler må vente

Løsningen angriber to gamle svagheder ved natriumbatterier

Natrium er ikke nogen ny spiller i batterikemien, men udgaver med fast elektrolyt har kæmpet med to sejlivede problemer. Natriumioner bevæger sig for langsomt gennem polymeren, og natriummetal-anoden kan danne dendritter under opladning. De nålelignende strukturer kan gennembore cellen og udløse en kortslutning.

Et hold fra National University of Singapore’s College of Design and Engineering har offentliggjort arbejdet i Advanced Functional Materials. Forskerne tilsatte grafitisk carbonnitrid, GCN, til en elektrolyt baseret på polyethylenoxid og et natriumsalt. Materialet fremstilles ved at opvarme urea i luft til 550 °C, så der dannes plader med en tykkelse på omkring 2 nm.

Inde i elektrolytten gør GCN to nyttige ting på samme tid. For det første bryder materialet de stive krystallinske områder i polymeren op og skaber flere amorfe zoner, hvor natriumionerne kan bevæge sig mere frit. For det andet hjælper kvælstofrige overfladesteder med at adskille natriumioner fra saltets modioner. Det hæver natriumionernes transporttal fra 0,19 til 0,51. Den ioniske ledningsevne ved 55 °C blev mere end fordoblet.

Det vigtigste er at bremse dendritter

En natriummetal-anode har høj teoretisk energitæthed, men metallet aflejres ujævnt under opladning. Her begynder dendritter at vokse og true cellen indefra.

Kompositelektrolytten med GCN viste sig at være tre gange stærkere end den oprindelige polymer. Endnu vigtigere hjalp den med at danne et beskyttende natriumbaseret uorganisk lag på anodens overflade, som styrer en mere ensartet metalaflejring. I en sammenligningstest kortsluttede den uændrede polymerelektrolyt efter 250 timer ved en strømtæthed på 0,1 mA pr. cm². GCN-elektrolytten kørte i 1000 timer ved samme belastning og i mere end 2000 timer ved 0,2 mA pr. cm².

Ved samme strømtæthed viste testen omtrent en firedobling af batteriets levetid. Under hårdere belastning passerede den 2000 timer. Det betyder noget, fordi modstand mod dendritter siger mere om den praktiske sikkerhed i et fast metalbatteri end et enkelt opsigtsvækkende effekttal.

Den komplette celle viste solid cykluslevetid

Forskerne byggede også en komplet celle med fast elektrolyt, en kulstofbelagt, zinkdoteret natrium-vanadium-fosfat-katode og en natriummetal-anode. Ved en lade- og afladehastighed på 0,5C bevarede cellen 95 procent af kapaciteten efter 500 cyklusser, mens den coulombiske effektivitet nåede omkring 99,97 procent. Sagt enkelt betyder 1C, at et batteri oplades på cirka en time, mens 2C svarer til cirka en halv time.

For at demonstrere den mekaniske sikkerhed byggede holdet også en enkeltlags pouch-celle, der drev en LED, mens forskerne foldede den, foldede den ud og klippede i den. Det beviser ikke, at teknologien er klar til en batteripakke i en elbil, men det viser, hvorfor faste elektrolytter kan have en sikkerhedsfordel over celler med flydende elektrolyt.

Det er endnu ikke en CATL-rival til elbiler

For bilindustrien skal resultatet måles mod det, der allerede er på vej mod produktion, ikke mod et laboratorieideal. CATL’s Naxtra-natrium-ion-batteri er på vej mod serieproduktion hos Changan, og CATL angiver cellens energitæthed til op til 175 Wh pr. kg. I en celle-til-pakke-opbygning kan det give mere end 400 km rækkevidde med et fremtidigt mål på 500 til 600 km. Det er dog ikke et fast natriummetal-batteri.

Arbejdet fra Singapore spiller et andet spil. Styrken er ikke maksimal rækkevidde, i hvert fald ikke endnu. Den ligger i sikkerhed, billigere råmaterialer og muligheden for at mindske afhængigheden af litium. Den store begrænsning er fortsat driftstemperaturen. Det stærkeste resultat kom ved 55 °C, mens næste mål er stabil drift ved 45 °C. Et europæisk elbilbatteri skal fungere i et langt bredere klimavindue, ikke kun i et varmt laboratorium.

Europa kan mærke effekten først i lagring, ikke i elbilmodeller med høj ydeevne

Europa har mest akut brug for billige og sikre batterier med lavere råvarerisiko i netlagring og solpark-lagring. I de anvendelser betyder energi pr. kilo mindre end pris, brandsikkerhed, cykluslevetid og vedligeholdelsesomkostninger. Det er den niche, hvor et fast natriumbatteri kan begynde at lægge pres på LFP-batterier.

I elbiler vil natriumkemi sandsynligvis først dukke op i billigere bybiler, erhvervskøretøjer og modeller til koldere klimaer, hvor pris og temperaturtolerance kan veje tungere end lavere energitæthed. Premium-elbiler og modeller med lang rækkevidde vil de næste få år fortsat høre til de litiumkemier med høj energitæthed.

Teknisk overblik

Elektrolyt: en fast polymerelektrolyt baseret på polyethylenoxid og natriumsalt, tilsat 2 nm GCN-plader.

Iontransport: Den ioniske ledningsevne blev mere end fordoblet ved 55 °C, mens natriumionernes transporttal steg fra 0,19 til 0,51.

Dendritmodstand: Kompositelektrolytten kørte i 1000 timer ved 0,1 mA pr. cm² og mere end 2000 timer ved 0,2 mA pr. cm².

Komplet celle: 95 procent kapacitetsbevarelse efter 500 cyklusser ved 0,5C, med coulombisk effektivitet på omkring 99,97 procent.

Vigtigste begrænsning: Teknologien kræver stadig lavere driftstemperaturer og prototyper i større format.

Gennembruddet er reelt, men det er afstanden mellem en smart laboratoriecelle og en batteripakke, der overlever års opladning, frost, varme og utålmodige førere, også.