Ερευνητές στη Σιγκαπούρη παρατείνουν τη ζωή μπαταρίας στερεάς κατάστασης, αλλά το ηλεκτρικό αυτοκίνητο θέλει ακόμη βήματα

Η λύση αντιμετωπίζει δύο παλιές αδυναμίες των μπαταριών νατρίου

Το νάτριο δεν είναι νέο στη χημεία των μπαταριών, όμως οι εκδόσεις με στερεό ηλεκτρολύτη έχουν σκοντάψει σε δύο επίμονα προβλήματα. Τα ιόντα νατρίου κινούνται πολύ αργά μέσα στο πολυμερές, ενώ η άνοδος μεταλλικού νατρίου μπορεί να αναπτύξει δενδρίτες κατά τη φόρτιση. Αυτές οι βελονοειδείς δομές μπορούν να διαπεράσουν το στοιχείο και να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα.

Ομάδα από το College of Design and Engineering του National University of Singapore δημοσίευσε την εργασία της στο Advanced Functional Materials. Οι ερευνητές πρόσθεσαν γραφιτικό νιτρίδιο του άνθρακα, ή GCN, σε ηλεκτρολύτη βασισμένο σε οξείδιο πολυαιθυλενίου και άλας νατρίου. Το υλικό παράγεται με θέρμανση ουρίας στον αέρα στους 550 °C, σχηματίζοντας φύλλα πάχους περίπου 2 nm.

Μέσα στον ηλεκτρολύτη, το GCN κάνει ταυτόχρονα δύο χρήσιμα πράγματα. Πρώτον, διασπά τις άκαμπτες κρυσταλλικές περιοχές του πολυμερούς και δημιουργεί περισσότερες άμορφες ζώνες, όπου τα ιόντα νατρίου μπορούν να κινηθούν πιο ελεύθερα. Δεύτερον, οι πλούσιες σε άζωτο επιφανειακές θέσεις βοηθούν στον διαχωρισμό των ιόντων νατρίου από τα αντίθετα ιόντα του άλατος, ανεβάζοντας τον αριθμό μεταφοράς ιόντων νατρίου από 0,19 σε 0,51. Η ιοντική αγωγιμότητα στους 55 °C υπερδιπλασιάστηκε.

Η επιβράδυνση των δενδριτών μετρά περισσότερο

Μια άνοδος μεταλλικού νατρίου προσφέρει υψηλή θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα, αλλά κατά τη φόρτιση το μέταλλο εναποτίθεται ανομοιόμορφα. Από εκεί αρχίζουν να αναπτύσσονται οι δενδρίτες, απειλώντας το στοιχείο από μέσα.

Ο σύνθετος ηλεκτρολύτης με GCN αποδείχθηκε τρεις φορές ισχυρότερος από το αρχικό πολυμερές. Ακόμη σημαντικότερο, βοήθησε να σχηματιστεί στην επιφάνεια της ανόδου ένα προστατευτικό ανόργανο στρώμα με βάση το νάτριο, καθοδηγώντας πιο ομοιόμορφη εναπόθεση μετάλλου. Σε συγκριτική δοκιμή, ο αμετάβλητος πολυμερικός ηλεκτρολύτης βραχυκύκλωσε έπειτα από 250 ώρες σε πυκνότητα ρεύματος 0,1 mA ανά cm². Ο ηλεκτρολύτης με GCN λειτούργησε για 1.000 ώρες στο ίδιο φορτίο και για περισσότερες από 2.000 ώρες στα 0,2 mA ανά cm².

Στην ίδια πυκνότητα ρεύματος, η δοκιμή έδειξε περίπου τετραπλάσια βελτίωση στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Σε σκληρότερο φορτίο, ξεπέρασε τις 2.000 ώρες. Αυτό έχει σημασία, επειδή η αντοχή στους δενδρίτες λέει περισσότερα για την πρακτική ασφάλεια μιας στερεάς μεταλλικής μπαταρίας από οποιονδήποτε μεμονωμένο εντυπωσιακό αριθμό ισχύος.

Το πλήρες στοιχείο έδειξε στιβαρή διάρκεια ζωής σε κύκλους

Οι ερευνητές κατασκεύασαν επίσης ένα πλήρες στοιχείο στερεού ηλεκτρολύτη, χρησιμοποιώντας κάθοδο φωσφορικού βαναδίου νατρίου με πρόσμιξη ψευδαργύρου και επίστρωση άνθρακα, καθώς και άνοδο μεταλλικού νατρίου. Σε ρυθμό φόρτισης και εκφόρτισης 0,5C, το στοιχείο διατήρησε το 95% της χωρητικότητάς του έπειτα από 500 κύκλους, ενώ η κουλομπική απόδοση έφτασε περίπου στο 99,97%. Με απλά λόγια, 1C σημαίνει φόρτιση μιας μπαταρίας σε περίπου μία ώρα, ενώ 2C σημαίνει περίπου μισή ώρα.

Για να δείξει τη μηχανική ασφάλεια, η ομάδα κατασκεύασε επίσης μια μονοστρωματική κυψέλη τύπου pouch που τροφοδοτούσε ένα LED ενώ διπλωνόταν, ξεδιπλωνόταν και κοβόταν. Αυτό δεν αποδεικνύει ετοιμότητα για πακέτο μπαταριών ηλεκτρικού αυτοκινήτου, δείχνει όμως γιατί οι στερεοί ηλεκτρολύτες προσφέρουν πλεονέκτημα ασφάλειας έναντι των στοιχείων με υγρό ηλεκτρολύτη.

Δεν πρόκειται ακόμη για αντίπαλο της CATL στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Για την αυτοκινητοβιομηχανία, αυτό το αποτέλεσμα πρέπει να κριθεί απέναντι σε ό,τι ήδη κινείται προς την παραγωγή, όχι απέναντι σε ένα εργαστηριακό ιδεώδες. Η μπαταρία ιόντων νατρίου Naxtra της CATL οδεύει προς χρήση σε παραγωγή σειράς με την Changan, και η CATL δίνει ενεργειακή πυκνότητα στοιχείου έως 175 Wh ανά kg. Σε διάταξη cell-to-pack, αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει αυτονομία πάνω από 400 km, με μελλοντικό στόχο τα 500 έως 600 km. Δεν είναι, ωστόσο, μπαταρία μεταλλικού νατρίου με στερεό ηλεκτρολύτη.

Η εργασία της Σιγκαπούρης παίζει σε άλλο γήπεδο. Το δυνατό της σημείο δεν είναι η μέγιστη αυτονομία, τουλάχιστον όχι ακόμη. Είναι η ασφάλεια, οι πρώτες ύλες χαμηλότερου κόστους και η πιθανότητα μείωσης της εξάρτησης από το λίθιο. Ο βασικός περιορισμός παραμένει η θερμοκρασία λειτουργίας. Το ισχυρότερο αποτέλεσμα ήρθε στους 55 °C, ενώ ο επόμενος στόχος είναι η σταθερή λειτουργία στους 45 °C. Μια μπαταρία ηλεκτρικού αυτοκινήτου στην Ευρώπη πρέπει να δουλεύει σε πολύ ευρύτερο κλιματικό παράθυρο, όχι μόνο σε ένα θερμό εργαστήριο.

Η Ευρώπη μπορεί να νιώσει πρώτα τον αντίκτυπο στην αποθήκευση, όχι στα ηλεκτρικά υψηλών επιδόσεων

Η Ευρώπη χρειάζεται επειγόντως φθηνές, ασφαλείς μπαταρίες με χαμηλότερο ρίσκο πρώτων υλών κυρίως στην αποθήκευση δικτύου και στα φωτοβολταϊκά πάρκα. Σε αυτές τις εφαρμογές, η ενέργεια ανά κιλό μετρά λιγότερο από την τιμή, την πυρασφάλεια, τη διάρκεια ζωής σε κύκλους και το κόστος συντήρησης. Εκεί είναι η περιοχή όπου μια μπαταρία νατρίου με στερεό ηλεκτρολύτη θα μπορούσε να αρχίσει να πιέζει τις μπαταρίες LFP.

Στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, η χημεία νατρίου πιθανότατα θα εμφανιστεί πρώτα σε φθηνότερα αυτοκίνητα πόλης, επαγγελματικά οχήματα και μοντέλα για ψυχρότερα κλίματα, όπου η τιμή και η ανοχή στη θερμοκρασία μπορούν να αντισταθμίσουν τη χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Τα premium EV και τα μοντέλα μεγάλης αυτονομίας θα παραμείνουν για τα επόμενα χρόνια πεδίο των χημειών λιθίου υψηλής ενέργειας.

Τεχνική εικόνα

Ηλεκτρολύτης: στερεός πολυμερικός ηλεκτρολύτης βασισμένος σε οξείδιο πολυαιθυλενίου και άλας νατρίου, με προσθήκη φύλλων GCN πάχους 2 nm.

Μεταφορά ιόντων: η ιοντική αγωγιμότητα υπερδιπλασιάστηκε στους 55 °C, ενώ ο αριθμός μεταφοράς ιόντων νατρίου αυξήθηκε από 0,19 σε 0,51.

Αντοχή στους δενδρίτες: ο σύνθετος ηλεκτρολύτης λειτούργησε για 1.000 ώρες στα 0,1 mA ανά cm² και για περισσότερες από 2.000 ώρες στα 0,2 mA ανά cm².

Πλήρες στοιχείο: διατήρηση χωρητικότητας 95% έπειτα από 500 κύκλους στα 0,5C, με κουλομπική απόδοση περίπου 99,97%.

Κύριος περιορισμός: η τεχνολογία χρειάζεται ακόμη χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας και πρωτότυπα μεγαλύτερου format.

Η πρόοδος είναι πραγματική. Το ίδιο πραγματικό είναι και το χάσμα ανάμεσα σε ένα έξυπνο εργαστηριακό στοιχείο και σε ένα πακέτο μπαταριών που αντέχει χρόνια φόρτισης, παγετού, ζέστης και ανυπόμονων οδηγών.