Singaporese onderzoekers verlengen levensduur solid-state accu, maar doorbraak voor elektrische auto’s vergt nog stappen

De oplossing pakt twee oude zwaktes van natriumaccu's aan

Natrium is geen nieuwkomer in de batterijchemie, maar varianten met een vaste elektrolyt kampen al langer met twee hardnekkige problemen. Natriumionen bewegen te traag door het polymeer, terwijl de natriummetaalanode tijdens het laden dendrieten kan vormen. Die naaldachtige structuren kunnen de cel doorboren en kortsluiting veroorzaken.

Een team van het College of Design and Engineering van de National University of Singapore publiceerde het onderzoek in Advanced Functional Materials. De onderzoekers voegden grafitisch koolstofnitride, of GCN, toe aan een elektrolyt op basis van polyethyleenoxide en een natriumzout. Het materiaal ontstaat door ureum in lucht te verhitten tot 550 °C, waarbij vellen van ongeveer 2 nm dik ontstaan.

In de elektrolyt doet GCN twee nuttige dingen tegelijk. Ten eerste breekt het de starre kristallijne zones in het polymeer open en creëert het meer amorfe gebieden, waar natriumionen vrijer kunnen bewegen. Ten tweede helpen stikstofrijke oppervlaktesites om natriumionen los te maken van de tegenionen van het zout. Daardoor stijgt het natriumionentransportgetal van 0,19 naar 0,51. De ionengeleidbaarheid bij 55 °C verdubbelde ruimschoots.

Vooral het afremmen van dendrieten telt

Een natriummetaalanode biedt op papier een hoge energiedichtheid, maar metaal slaat tijdens het laden ongelijkmatig neer. Precies daar beginnen dendrieten te groeien, waardoor ze de cel van binnenuit bedreigen.

De composietelektrolyt met GCN bleek drie keer sterker dan het oorspronkelijke polymeer. Belangrijker nog, hij hielp een beschermende, op natrium gebaseerde anorganische laag op het anodeoppervlak vormen, die een gelijkmatigere metaalafzetting stuurt. In een vergelijkingstest veroorzaakte de ongewijzigde polymeerelektrolyt kortsluiting na 250 uur bij een stroomdichtheid van 0,1 mA per cm². De GCN-elektrolyt hield het bij dezelfde belasting 1000 uur vol en bij 0,2 mA per cm² zelfs meer dan 2000 uur.

Bij dezelfde stroomdichtheid liet de test dus grofweg een verviervoudiging van de levensduur zien. Onder zwaardere belasting passeerde de cel de grens van 2000 uur. Dat is relevant, omdat dendrietbestendigheid meer zegt over de praktische veiligheid van een vaste metaalaccu dan één spectaculaire vermogensclaim.

De complete cel toonde een solide cycluslevensduur

De onderzoekers bouwden ook een complete cel met vaste elektrolyt, een met koolstof gecoate, met zink gedoteerde natrium-vanadiumfosfaatkathode en een natriummetaalanode. Bij een laad- en ontlaadsnelheid van 0,5C behield de cel na 500 cycli 95 procent van zijn capaciteit, terwijl de coulombische efficiëntie uitkwam op ongeveer 99,97 procent. Simpel gezegd betekent 1C dat een accu in ongeveer één uur wordt geladen, terwijl 2C neerkomt op ongeveer een half uur.

Om de mechanische veiligheid te demonstreren maakte het team ook een enkellaagse pouchcel die een led liet branden terwijl hij werd gevouwen, opengevouwen en ingesneden. Dat bewijst niet dat de techniek klaar is voor een accupakket in een elektrische auto, maar het laat wel zien waarom vaste elektrolyten een veiligheidsvoordeel kunnen hebben ten opzichte van cellen met vloeibare elektrolyt.

Dit is nog geen CATL-rivaal voor elektrische auto's

Voor de auto-industrie moet dit resultaat worden afgezet tegen technologie die al richting productie beweegt, niet tegen een laboratoriumideaal. CATL's Naxtra-natrium-ionaccu is op weg naar serieproductie bij Changan, en CATL noemt voor de cel een energiedichtheid tot 175 Wh per kg. In een cell-to-pack-opbouw kan dat meer dan 400 km rijbereik mogelijk maken, met een toekomstig doel van 500 tot 600 km. Het is echter geen natriummetaalaccu met vaste elektrolyt.

Het Singaporese werk speelt een ander spel. De kracht zit niet in maximaal rijbereik, althans nog niet. Het gaat om veiligheid, goedkopere grondstoffen en de mogelijkheid om de afhankelijkheid van lithium te verminderen. De belangrijkste beperking blijft de bedrijfstemperatuur. Het sterkste resultaat kwam bij 55 °C, terwijl het volgende doel stabiele werking bij 45 °C is. Een Europese accu voor elektrische auto's moet functioneren binnen een veel breder klimaatvenster, niet alleen in een warm laboratorium.

Europa voelt de impact mogelijk eerst in opslag, niet in prestatie-EV's

Europa heeft goedkope, veilige accu's met een lager grondstoffenrisico het dringendst nodig voor netopslag en opslag bij zonneparken. In die toepassingen telt energie per kilogram minder zwaar dan prijs, brandveiligheid, levensduur en onderhoudskosten. Dat is de niche waarin een natriumaccu met vaste elektrolyt druk zou kunnen gaan zetten op LFP-accu's.

In elektrische auto's zal natriumchemie waarschijnlijk eerst opduiken in goedkopere stadsauto's, bedrijfswagens en modellen voor koudere klimaten, waar prijs en temperatuurtolerantie zwaarder kunnen wegen dan lagere energiedichtheid. Premium-EV's en modellen met groot rijbereik blijven de komende jaren het terrein van lithiumchemie met hoge energiedichtheid.

Technische momentopname

Elektrolyt: een vaste polymeerelektrolyt op basis van polyethyleenoxide en natriumzout, met toegevoegde GCN-vellen van 2 nm.

Ionentransport: de ionengeleidbaarheid verdubbelde ruimschoots bij 55 °C, terwijl het natriumionentransportgetal steeg van 0,19 naar 0,51.

Dendrietbestendigheid: de composietelektrolyt hield het 1000 uur vol bij 0,1 mA per cm² en meer dan 2000 uur bij 0,2 mA per cm².

Complete cel: 95 procent capaciteitsbehoud na 500 cycli bij 0,5C, met een coulombische efficiëntie van ongeveer 99,97 procent.

Belangrijkste beperking: de technologie heeft nog lagere bedrijfstemperaturen en grotere prototypes nodig.

De doorbraak is echt, maar dat geldt ook voor de kloof tussen een slimme laboratoriumcel en een accupakket dat jarenlang laden, vorst, hitte en ongeduldige bestuurders overleeft.