Singapurskí vedci predĺžili životnosť batérie s pevným elektrolytom, elektromobily však na prielom ešte čakajú
Jedným z veľkých prísľubov sodíkovo-iónových batérií je lacnejšie a geopoliticky jednoduchšie ukladanie energie. Výskumníci z National University of Singapore pridali do pevného polymérneho elektrolytu lacný grafitický nitrid uhlíka a vytvorili batériu, ktorá účinnejšie odolávala dendritom, rýchlejšie prenášala ióny a po 500 cykloch v laboratórnom teste si zachovala 95 percent kapacity. Znie to ako správa pre elektromobily. Zatiaľ však výskum vyzerá bezprostredne dôležitejší pre stacionárne batériové úložiská.
Riešenie cieli na dve staré slabiny sodíkových batérií
Sodík nie je v batériovej chémii nováčikom, verzie s pevným elektrolytom však dlhodobo narážajú na dva problémy. Sodíkové ióny sa v polyméri pohybujú príliš pomaly a kovová sodíková anóda môže počas nabíjania vytvárať dendrity. Tieto ihličkovité štruktúry dokážu prepichnúť článok a spôsobiť skrat.
Tím z College of Design and Engineering na National University of Singapore publikoval výsledky v časopise Advanced Functional Materials. Vedci pridali grafitický nitrid uhlíka, teda GCN, do elektrolytu založeného na polyetylénoxide a sodíkovej soli. Materiál vzniká zahrievaním močoviny na vzduchu na 550 °C, čím sa vytvoria vrstvy hrubé približne 2 nm.
V elektrolyte robí GCN naraz dve užitočné veci. Po prvé narúša tuhé kryštalické oblasti polyméru a vytvára viac amorfných zón, v ktorých sa sodíkové ióny môžu pohybovať voľnejšie. Po druhé povrchové miesta bohaté na dusík pomáhajú oddeľovať sodíkové ióny od protiiónov soli, čím zvyšujú transportné číslo sodíkových iónov z 0,19 na 0,51. Iónová vodivosť pri 55 °C sa viac než zdvojnásobila.
Najdôležitejšie je spomaliť dendrity
Kovová sodíková anóda ponúka vysokú teoretickú energetickú hustotu, lenže kov sa počas nabíjania ukladá nerovnomerne. Práve tam začínajú rásť dendrity, ktoré ohrozujú článok zvnútra.
Kompozitný elektrolyt s GCN sa ukázal ako trikrát pevnejší než pôvodný polymér. Ešte dôležitejšie je, že pomohol vytvoriť na povrchu anódy ochrannú anorganickú vrstvu na báze sodíka, ktorá usmerňuje rovnomernejšie ukladanie kovu. V porovnávacom teste sa nezmenený polymérny elektrolyt skratoval po 250 hodinách pri prúdovej hustote 0,1 mA na cm². Elektrolyt s GCN pracoval pri rovnakej záťaži 1000 hodín a pri 0,2 mA na cm² viac než 2000 hodín.
Pri rovnakej prúdovej hustote test ukázal približne štvornásobné zlepšenie životnosti batérie. Pri náročnejšom zaťažení prekročil 2000 hodín. Je to dôležité, pretože odolnosť voči dendritom hovorí o praktickej bezpečnosti batérie s kovovou anódou viac než akýkoľvek jeden titulkový údaj o výkone.
Kompletný článok ukázal solídnu cyklickú životnosť
Výskumníci postavili aj kompletný článok s pevným elektrolytom, s katódou z uhlíkom potiahnutého zinkom dopovaného sodíkového vanádfosfátu a kovovou sodíkovou anódou. Pri rýchlosti nabíjania a vybíjania 0,5C si článok po 500 cykloch zachoval 95 percent kapacity, zatiaľ čo coulombická účinnosť dosiahla približne 99,97 percenta. Jednoducho povedané, 1C znamená nabitie batérie približne za jednu hodinu, kým 2C znamená približne pol hodiny.
Na ukážku mechanickej bezpečnosti tím vyrobil aj jednovrstvový pouch článok, ktorý napájal LED diódu počas zloženia, rozloženia aj po narezaní. Nedokazuje to pripravenosť na batériový paket pre elektromobil, no ukazuje to, prečo pevné elektrolyty prinášajú bezpečnostnú výhodu oproti článkom s kvapalným elektrolytom.
Zatiaľ to nie je súper pre CATL v elektromobiloch
Pre automobilový priemysel treba tento výsledok posudzovať voči tomu, čo už smeruje do výroby, nie voči laboratórnemu ideálu. Sodíkovo-iónová batéria CATL Naxtra mieri do sériového nasadenia s automobilkou Changan a CATL uvádza energetickú hustotu článku až 175 Wh na kg. Pri usporiadaní cell-to-pack by to mohlo umožniť dojazd viac než 400 km, s budúcim cieľom 500 až 600 km. Nejde však o sodíkovú kovovú batériu s pevným elektrolytom.
Singapurský výskum hrá inú hru. Jeho silou nie je maximálny dojazd, aspoň zatiaľ nie. Sú ňou bezpečnosť, lacnejšie suroviny a možnosť znížiť závislosť od lítia. Hlavným limitom zostáva prevádzková teplota. Najsilnejší výsledok prišiel pri 55 °C, zatiaľ čo ďalším cieľom je stabilná prevádzka pri 45 °C. Európska batéria pre elektromobil musí fungovať v omnoho širšom klimatickom okne, nielen v teplom laboratórnom prostredí.
Európa môže pocítiť vplyv skôr v úložiskách než vo výkonných elektromobiloch
Európa najnaliehavejšie potrebuje lacné a bezpečné batérie s nižším surovinovým rizikom v sieťových úložiskách a úložiskách pri solárnych parkoch. V týchto aplikáciách záleží na energii na kilogram menej než na cene, požiarnej bezpečnosti, cyklickej životnosti a nákladoch na údržbu. Práve v tomto segmente by sodíková batéria s pevným elektrolytom mohla začať tlačiť na LFP batérie.
V elektromobiloch sa sodíková chémia pravdepodobne objaví najskôr v lacnejších mestských autách, úžitkových vozidlách a modeloch pre chladnejšie podnebie, kde cena a teplotná tolerancia môžu prevážiť nižšiu energetickú hustotu. Prémiové elektromobily a modely s dlhým dojazdom zostanú v najbližších rokoch doménou vysokoenergetických lítiových chémií.
Technický prehľad
Elektrolyt: pevný polymérny elektrolyt založený na polyetylénoxide a sodíkovej soli, s pridanými 2 nm vrstvami GCN.
Transport iónov: iónová vodivosť sa pri 55 °C viac než zdvojnásobila, zatiaľ čo transportné číslo sodíkových iónov vzrástlo z 0,19 na 0,51.
Odolnosť voči dendritom: kompozitný elektrolyt pracoval 1000 hodín pri 0,1 mA na cm² a viac než 2000 hodín pri 0,2 mA na cm².
Kompletný článok: zachovanie 95 percent kapacity po 500 cykloch pri 0,5C, s coulombickou účinnosťou približne 99,97 percenta.
Hlavné obmedzenie: technológia stále potrebuje nižšie prevádzkové teploty a prototypy väčšieho formátu.
Prielom je skutočný. Rovnako skutočný je však aj rozdiel medzi premysleným laboratórnym článkom a batériovým paketom, ktorý prežije roky nabíjania, mráz, horúčavy a netrpezlivých vodičov.
