Singapurski istraživači produžili vek baterije sa čvrstim elektrolitom, ali EV proboj traži još koraka

Rešenje cilja dve stare slabosti natrijumskih baterija

Natrijum nije novost u hemiji baterija, ali verzije sa čvrstim elektrolitom godinama muče dva uporna problema. Joni natrijuma kroz polimer putuju presporo, dok natrijum-metalna anoda tokom punjenja može da razvije dendrite. Te igličaste strukture mogu da probiju ćeliju i izazovu kratak spoj.

Tim sa College of Design and Engineering Nacionalnog univerziteta u Singapuru objavio je rezultate u časopisu Advanced Functional Materials. Istraživači su u elektrolit na bazi polietilen-oksida i natrijumove soli dodali grafitni ugljen-nitrid, odnosno GCN. Materijal se dobija zagrevanjem uree na vazduhu do 550 °C, pri čemu nastaju listovi debljine oko 2 nm.

U elektrolitu GCN istovremeno rešava dva zadatka. Prvo, razbija krute kristalne oblasti polimera i stvara više amorfnih zona, kroz koje joni natrijuma mogu slobodnije da se kreću. Drugo, površinska mesta bogata azotom pomažu odvajanju jona natrijuma od protivjona soli, pa se transportni broj natrijumovih jona povećava sa 0,19 na 0,51. Jonska provodljivost na 55 °C više je nego udvostručena.

Usporavanje dendrita je ključno

Natrijum-metalna anoda nudi visoku teorijsku energetsku gustinu, ali se metal tokom punjenja taloži neravnomerno. Tada dendriti počinju da rastu i ugrožavaju ćeliju iznutra.

GCN kompozitni elektrolit pokazao se tri puta čvršćim od izvornog polimera. Još važnije, pomogao je da se na površini anode formira zaštitni neorganski sloj na bazi natrijuma, koji usmerava ravnomernije taloženje metala. U uporednom testu, neizmenjeni polimerni elektrolit izazvao je kratak spoj posle 250 sati pri gustini struje od 0,1 mA po cm². Elektrolit sa GCN-om radio je 1000 sati pod istim opterećenjem i više od 2000 sati pri 0,2 mA po cm².

Pri istoj gustini struje, test je pokazao približno četvorostruko poboljšanje veka baterije. Pod većim opterećenjem elektrolit je izdržao više od 2000 sati. To je važno zato što otpornost na dendrite govori više o praktičnoj bezbednosti čvrste metalne baterije nego bilo koja pojedinačna velika brojka o snazi.

Kompletna ćelija pokazala je solidan ciklični vek

Istraživači su napravili i kompletnu ćeliju sa čvrstim elektrolitom, koristeći katodu od cinkom dopiranog natrijum-vanadijum-fosfata sa ugljeničnim premazom i natrijum-metalnu anodu. Pri brzini punjenja i pražnjenja od 0,5C, ćelija je zadržala 95 procenata kapaciteta posle 500 ciklusa, dok je Kulonova efikasnost dostigla oko 99,97 procenata. Pojednostavljeno, 1C znači punjenje baterije za približno jedan sat, dok 2C znači oko pola sata.

Da bi pokazao mehaničku bezbednost, tim je napravio i jednoslojnu pouch ćeliju koja je napajala LED dok su je savijali, ispravljali i sekli. To ne dokazuje spremnost za baterijski paket električnog automobila, ali pokazuje zašto čvrsti elektroliti imaju bezbednosnu prednost u odnosu na ćelije sa tečnim elektrolitom.

Ovo još nije rival CATL-u za električne automobile

Za auto-industriju, ovaj rezultat treba meriti prema onome što se već kreće ka proizvodnji, a ne prema laboratorijskom idealu. CATL-ova natrijum-jonska baterija Naxtra ide ka serijskoj primeni sa kompanijom Changan, a CATL navodi energetsku gustinu ćelije do 175 Wh po kg. U cell-to-pack arhitekturi to bi moglo da omogući više od 400 km dometa, uz budući cilj od 500 do 600 km. Ipak, to nije natrijum-metalna baterija sa čvrstim elektrolitom.

Singapurski rad ima drugačiji fokus. Njegova snaga nije maksimalan domet vožnje, bar ne još. Prednosti su bezbednost, jeftinije sirovine i mogućnost smanjenja zavisnosti od litijuma. Glavno ograničenje ostaje radna temperatura. Najjači rezultat postignut je na 55 °C, dok je sledeći cilj stabilan rad na 45 °C. Evropska baterija za električni automobil mora da funkcioniše u mnogo širem klimatskom rasponu, a ne samo u toplom laboratorijskom okruženju.

Evropa bi uticaj prvo mogla da oseti u skladištenju, a ne u EV modelima visokih performansi

Evropi su jeftine i bezbedne baterije sa manjim rizikom u lancu sirovina najhitnije potrebne u mrežnom skladištenju i skladištima uz solarne parkove. U tim primenama energija po kilogramu manje je važna od cene, protivpožarne bezbednosti, cikličnog veka i troškova održavanja. To je niša u kojoj bi natrijumska baterija sa čvrstim elektrolitom mogla da počne da ugrožava LFP baterije.

U električnim automobilima, natrijumska hemija će se verovatno najpre pojaviti u jeftinijim gradskim automobilima, komercijalnim vozilima i modelima za hladnije klime, gde cena i tolerancija na temperaturu mogu da nadjačaju nižu energetsku gustinu. Premijum EV modeli i automobili velikog dometa narednih nekoliko godina ostaće teritorija visokoenergetskih litijumskih hemija.

Tehnički pregled

Elektrolit: čvrsti polimerni elektrolit na bazi polietilen-oksida i natrijumove soli, sa dodatim GCN listovima debljine 2 nm.

Transport jona: jonska provodljivost više je nego udvostručena na 55 °C, dok je transportni broj natrijumovih jona porastao sa 0,19 na 0,51.

Otpornost na dendrite: kompozitni elektrolit radio je 1000 sati pri 0,1 mA po cm² i više od 2000 sati pri 0,2 mA po cm².

Kompletna ćelija: zadržavanje 95 procenata kapaciteta posle 500 ciklusa pri 0,5C, uz Kulonovu efikasnost od oko 99,97 procenata.

Glavno ograničenje: tehnologiji su i dalje potrebne niže radne temperature i prototipovi većeg formata.

Proboj je stvaran, ali stvaran je i jaz između pametne laboratorijske ćelije i baterijskog paketa koji mora da preživi godine punjenja, mraz, vrućinu i nestrpljive vozače.