Szingapúri kutatók növelték a szilárdtest-akkumulátor élettartamát, de az elektromos autós áttöréshez még több lépés kell

A megoldás egyszerre két régi nátriumakkumulátoros gyengeségre ad választ.

A nátrium nem új szereplő az akkumulátorkémiában, a szilárd elektrolitos változatoknak mégis két makacs problémával kellett megküzdeniük. A nátriumionok túl lassan haladnak át a polimeren, miközben a nátriumfém anódon töltés közben dendritek nőhetnek. Ezek a tűszerű képződmények átszúrhatják a cellát, és rövidzárlatot okozhatnak.

A Szingapúri Nemzeti Egyetem College of Design and Engineering kutatócsoportja az Advanced Functional Materials folyóiratban publikálta az eredményeit. A kutatók grafitos szén-nitridet, vagyis GCN-t adtak egy polietilén-oxidra és nátriumsóra épülő elektrolithoz. Az anyagot karbamid levegőn, 550 °C-ra hevítésével állítják elő, így nagyjából 2 nm vastag lapok keletkeznek.

Az elektroliton belül a GCN egyszerre két hasznos feladatot végez. Egyrészt megbontja a polimer merev kristályos régióit, és több amorf zónát hoz létre, ahol a nátriumionok szabadabban mozoghatnak. Másrészt a nitrogénben gazdag felületi helyek segítenek leválasztani a nátriumionokat a só ellenionjairól, így a nátriumion-transzportszám 0,19-ről 0,51-re nőtt. Az ionvezetőképesség 55 °C-on több mint megduplázódott.

A dendritek lassítása a legfontosabb.

A nátriumfém anód elméletben nagy energiasűrűséget kínál, de töltés közben a fém egyenetlenül rakódik le. Itt indul meg a dendritnövekedés, amely belülről veszélyezteti a cellát.

A GCN-kompozit elektrolit háromszor erősebbnek bizonyult az eredeti polimernél. Ennél is fontosabb, hogy segített védő, nátriumalapú szervetlen réteget kialakítani az anód felületén, ami egyenletesebb fémleválást irányított. Egy összehasonlító teszten a változatlan polimer elektrolit 250 óra után rövidzárlatos lett 0,1 mA/cm² áramsűrűségnél. A GCN-es elektrolit ugyanekkora terhelésen 1000 órán át működött, 0,2 mA/cm² mellett pedig több mint 2000 órát bírt.

Azonos áramsűrűségen a teszt nagyjából négyszeres élettartam-javulást mutatott. Keményebb terhelés alatt átlépte a 2000 órát. Ez azért lényeges, mert a dendritekkel szembeni ellenállás többet mond egy szilárd fémakkumulátor gyakorlati biztonságáról, mint bármelyik hangzatos teljesítményadat önmagában.

A teljes cella is stabil ciklusélettartamot mutatott.

A kutatók egy komplett, szilárd elektrolitos cellát is építettek, szénbevonatú, cinkkel adalékolt nátrium-vanádium-foszfát katóddal és nátriumfém anóddal. 0,5C töltési és kisütési rátánál a cella 500 ciklus után kapacitásának 95 százalékát megtartotta, miközben a Coulomb-hatásfok körülbelül 99,97 százalékot ért el. Egyszerűen fogalmazva az 1C azt jelenti, hogy az akkumulátor nagyjából egy óra alatt tölthető fel, a 2C pedig körülbelül félórás töltést jelent.

A mechanikai biztonság demonstrálására a csapat egy egyrétegű tasakcellát is készített, amely hajtogatás, kihajtás és vágás közben is működtetett egy LED-et. Ez nem bizonyítja, hogy a technológia készen áll egy elektromos autó akkumulátorcsomagjára, de jól mutatja, miért kínálnak biztonsági előnyt a szilárd elektrolitok a folyadékelektrolitos cellákkal szemben.

Ez még nem elektromos autókba szánt CATL-rivális.

Az autóipar szempontjából ezt az eredményt nem laboratóriumi ideálokhoz, hanem a gyártás felé tartó megoldásokhoz kell mérni. A CATL Naxtra nátriumion-akkumulátora a Changannal közösen készül sorozatgyártású felhasználásra, és a CATL a cella energiasűrűségét legfeljebb 175 Wh/kg-ban adja meg. Cell-to-pack felépítéssel ez több mint 400 km hatótávot tehet lehetővé, a későbbi cél pedig 500-600 km. Ez azonban nem szilárd elektrolitos nátriumfém-akkumulátor.

A szingapúri kutatás más pályán játszik. Az erőssége egyelőre nem a maximális hatótáv. Sokkal inkább a biztonság, az olcsóbb nyersanyagok és a lítiumtól való függőség csökkentésének lehetősége. A fő korlát továbbra is az üzemi hőmérséklet. A legerősebb eredmény 55 °C-on született, a következő cél pedig a stabil működés 45 °C-on. Egy európai elektromosautó-akkumulátornak ennél jóval szélesebb klimatikus tartományban kell dolgoznia, nem csak meleg laboratóriumi környezetben.

Európa először valószínűleg nem a nagy teljesítményű villanyautókban, hanem az energiatárolásban érezheti a hatását.

Európának a legégetőbben a hálózati és naperőművi energiatárolásban van szüksége olcsó, biztonságos, alacsonyabb nyersanyagkockázatú akkumulátorokra. Ezekben az alkalmazásokban a kilogrammonkénti energiasűrűség kevésbé fontos, mint az ár, a tűzbiztonság, a ciklusélettartam és a karbantartási költség. Ez az a rés, ahol egy szilárd elektrolitos nátriumakkumulátor elkezdhet nyomást gyakorolni az LFP-akkumulátorokra.

Elektromos autókban a nátriumkémia várhatóan először olcsóbb városi autókban, haszonjárművekben és hidegebb éghajlatra szánt modellekben jelenhet meg, ahol az ár és a hőmérséklettűrés ellensúlyozhatja az alacsonyabb energiasűrűséget. A prémium elektromos autók és a nagy hatótávú modellek a következő években továbbra is a nagy energiasűrűségű lítiumkémiák területei maradnak.

Műszaki áttekintés.

Elektrolit: polietilén-oxidra és nátriumsóra épülő szilárd polimer elektrolit, 2 nm-es GCN-lapokkal kiegészítve.

Iontranszport: az ionvezetőképesség 55 °C-on több mint megduplázódott, miközben a nátriumion-transzportszám 0,19-ről 0,51-re emelkedett.

Dendritellenállás: a kompozit elektrolit 0,1 mA/cm² mellett 1000 órán át, 0,2 mA/cm² mellett pedig több mint 2000 órán át működött.

Teljes cella: 500 ciklus után 95 százalékos kapacitásmegtartás 0,5C mellett, körülbelül 99,97 százalékos Coulomb-hatásfokkal.

Fő korlát: a technológiának még alacsonyabb üzemi hőmérsékletre és nagyobb formátumú prototípusokra van szüksége.

Az áttörés valódi, de ugyanilyen valós a távolság is egy okos laboratóriumi cella és egy olyan akkumulátorcsomag között, amely éveken át bírja a töltéseket, a fagyot, a hőséget és a türelmetlen vezetőket.