Singaporeforskare förlänger livslängden i fast natriumbatteri men elbilen får vänta

Lösningen angriper två gamla svagheter hos natriumbatterier

Natrium är ingen nykomling i batterikemin, men varianter med fast elektrolyt har brottats med två återkommande problem. Natriumjonerna rör sig för långsamt genom polymeren, samtidigt som natriummetallanoden kan bilda dendriter under laddning. De nålliknande strukturerna kan tränga igenom cellen och orsaka kortslutning.

Ett forskarlag från College of Design and Engineering vid National University of Singapore har publicerat arbetet i Advanced Functional Materials. Forskarna tillsatte grafitisk kolnitrid, GCN, i en elektrolyt baserad på polyetylenoxid och ett natriumsalt. De framställer materialet genom att hetta upp urea i luft till 550 °C, vilket bildar skikt som är omkring 2 nm tjocka.

I elektrolyten gör GCN två nyttiga saker samtidigt. För det första bryter materialet upp polymerens styva kristallina regioner och skapar fler amorfa zoner, där natriumjoner kan röra sig friare. För det andra hjälper kväverika ytor till att separera natriumjoner från saltets motjoner. Det höjer natriumjonernas överföringstal från 0,19 till 0,51. Jonledningsförmågan vid 55 °C mer än fördubblades.

Dendriterna är den viktigaste fienden

En anod av natriummetall kan i teorin ge hög energitäthet, men metallen avsätts ojämnt under laddning. Där börjar dendriterna växa och hotar cellen inifrån.

Den GCN-baserade kompositelektrolyten var tre gånger starkare än den ursprungliga polymeren. Ännu viktigare var att den hjälpte till att bilda ett skyddande natriumbaserat oorganiskt skikt på anodens yta, vilket styrde metallavsättningen jämnare. I ett jämförande test kortslöts den oförändrade polymerelektrolyten efter 250 timmar vid en strömtäthet på 0,1 mA per cm². GCN-elektrolyten klarade 1000 timmar vid samma belastning och mer än 2000 timmar vid 0,2 mA per cm².

Vid samma strömtäthet visade testet ungefär fyrdubblad batterilivslängd. Under hårdare belastning passerade elektrolyten 2000 timmar. Det spelar roll, eftersom motståndskraft mot dendriter säger mer om den praktiska säkerheten i ett fast metallbatteri än någon enskild rubriksiffra för effekt.

Den kompletta cellen visade stabil cykellivslängd

Forskarna byggde också en komplett cell med fast elektrolyt, en katod av kolbelagd zinkdopad natriumvanadiumfosfat och en anod av natriummetall. Vid 0,5C för laddning och urladdning behöll cellen 95 procent av kapaciteten efter 500 cykler, medan den coulombska verkningsgraden nådde cirka 99,97 procent. Enkelt uttryckt betyder 1C att ett batteri laddas på ungefär en timme, medan 2C innebär omkring en halvtimme.

För att visa mekanisk säkerhet byggde teamet även en enkelskikts påscell som drev en LED medan forskarna vek, vecklade ut och skar upp den. Det bevisar inte att tekniken är redo för ett elbilsbatteripaket, men det visar varför fasta elektrolyter har en säkerhetsfördel jämfört med celler med flytande elektrolyt.

Det här är ännu ingen CATL-rival för elbilar

Bilindustrin måste jämföra resultatet med det som redan är på väg mot produktion, inte med ett laboratorieideal. CATL:s natriumjonbatteri Naxtra är på väg mot serieproduktion hos Changan, och CATL anger cellens energitäthet till upp till 175 Wh per kg. I en cell-till-pack-layout skulle det kunna ge mer än 400 km räckvidd, med ett framtida mål på 500 till 600 km. Det är däremot inte ett natriummetallbatteri med fast elektrolyt.

Forskarna i Singapore spelar ett annat spel. Styrkan är inte maximal räckvidd, åtminstone inte än. Den ligger i säkerhet, billigare råmaterial och möjligheten att minska beroendet av litium. Den stora begränsningen är fortfarande driftstemperaturen. Det starkaste resultatet kom vid 55 °C, medan nästa mål är stabil drift vid 45 °C. Ett europeiskt elbilsbatteri måste fungera i ett betydligt bredare klimatfönster, inte bara i en varm laboratoriemiljö.

Europa kan känna effekten först i lagring, inte i snabba elbilar

Europa behöver billiga och säkra batterier med lägre råvarurisk allra mest i nätlagring och lagring vid solparker. I de användningarna spelar energi per kilogram mindre roll än pris, brandsäkerhet, cykellivslängd och underhållskostnad. Det är nischen där ett natriumbatteri med fast elektrolyt skulle kunna börja sätta press på LFP-batterier.

I elbilar lär natriumkemi först dyka upp i billigare stadsbilar, transportfordon och modeller för kallare klimat, där pris och temperaturtålighet kan väga tyngre än lägre energitäthet. Premiumelbilar och modeller med lång räckvidd förblir de högenergitäta litiumkemiernas område under de närmaste åren.

Teknisk ögonblicksbild

Elektrolyt: en fast polymerelektrolyt baserad på polyetylenoxid och natriumsalt, med tillsatta 2 nm GCN-skikt.

Jontransport: jonledningsförmågan mer än fördubblades vid 55 °C, medan natriumjonernas överföringstal steg från 0,19 till 0,51.

Dendritmotstånd: kompositelektrolyten klarade 1000 timmar vid 0,1 mA per cm² och mer än 2000 timmar vid 0,2 mA per cm².

Komplett cell: 95 procents kapacitetsretention efter 500 cykler vid 0,5C, med en coulombsk verkningsgrad på cirka 99,97 procent.

Huvudbegränsning: tekniken behöver fortfarande lägre driftstemperaturer och prototyper i större format.

Genombrottet är verkligt. Men det är även avståndet mellan en smart laboratoriecell och ett batteripaket som överlever år av laddning, frost, värme och otåliga förare.