Сінгапурські дослідники подовжили ресурс твердотільної натрієвої батареї, але прорив для електромобілів ще потребує кількох кроків

Рішення б’є по двох давніх слабких місцях натрієвих батарей

Натрій давно не новачок у батарейній хімії, але версії з твердим електролітом роками впиралися у дві стійкі проблеми. Іони натрію надто повільно рухаються крізь полімер, а натрієвий металевий анод під час заряджання може нарощувати дендрити. Ці голкоподібні структури здатні пробити комірку й спричинити коротке замикання.

Команда з Коледжу дизайну та інженерії Національного університету Сінгапуру опублікувала роботу в Advanced Functional Materials. Дослідники додали графітоподібний нітрид вуглецю, або GCN, до електроліту на основі поліетиленоксиду та натрієвої солі. Матеріал отримують нагріванням сечовини на повітрі до 550 °C, у результаті формуються листи завтовшки близько 2 нм.

Усередині електроліту GCN виконує одразу дві корисні функції. По-перше, він руйнує жорсткі кристалічні ділянки полімеру й створює більше аморфних зон, де іони натрію можуть рухатися вільніше. По-друге, багаті на азот поверхневі центри допомагають відокремлювати іони натрію від протиіонів солі, підвищуючи число переносу іонів натрію з 0,19 до 0,51. Іонна провідність за 55 °C зросла більш ніж удвічі.

Найважливіше, що система сповільнює ріст дендритів

Натрієвий металевий анод має високу теоретичну енергетичну щільність, але під час заряджання метал осідає нерівномірно. Саме там починають рости дендрити, які загрожують комірці зсередини.

Композитний електроліт із GCN виявився утричі міцнішим за початковий полімер. Ще важливіше, він допоміг сформувати на поверхні анода захисний натрієвмісний неорганічний шар, який спрямовує рівномірніше осадження металу. У порівняльному тесті незмінений полімерний електроліт закоротив після 250 годин за густини струму 0,1 мА/см². Електроліт із GCN пропрацював 1000 годин за того самого навантаження і понад 2000 годин за 0,2 мА/см².

За однакової густини струму тест показав приблизно чотириразове покращення ресурсу батареї. За жорсткішого навантаження результат перевищив 2000 годин. Це важливо, бо стійкість до дендритів більше говорить про практичну безпеку твердотільної металевої батареї, ніж будь-яка окрема гучна цифра потужності.

Повноцінна комірка показала добру циклічну стабільність

Дослідники також зібрали повну комірку з твердим електролітом, використавши катод із натрій-ванадій-фосфату, легованого цинком і покритого вуглецем, та натрієвий металевий анод. За швидкості заряду й розряду 0,5C комірка зберегла 95% ємності після 500 циклів, а кулонівська ефективність сягнула приблизно 99,97%. Простими словами, 1C означає заряджання батареї приблизно за одну годину, тоді як 2C, приблизно за пів години.

Щоб продемонструвати механічну безпеку, команда також виготовила одношарову мішечкову комірку, яка живила світлодіод під час згинання, розгинання та розрізання. Це не доводить готовність до батарейного пакета електромобіля, але добре показує, чому тверді електроліти мають перевагу в безпеці над комірками з рідким електролітом.

Це ще не конкурент CATL для електромобілів

Для автопрому цей результат треба оцінювати не на тлі лабораторного ідеалу, а порівняно з тим, що вже рухається до виробництва. Натрій-іонна батарея CATL Naxtra прямує до серійного застосування разом із Changan, а CATL заявляє щільність енергії комірки до 175 Вт·год/кг. У компонуванні cell-to-pack це може дати понад 400 км запасу ходу, з майбутньою ціллю 500-600 км. Утім, це не твердотільна натрієва батарея з металевим анодом.

Сінгапурська розробка грає в іншу гру. Її сила, принаймні поки що, не в максимальному запасі ходу. Вона в безпеці, дешевшій сировині та можливості зменшити залежність від літію. Головне обмеження досі стосується робочої температури. Найкращий результат отримали за 55 °C, тоді як наступна ціль полягає у стабільній роботі за 45 °C. Європейська батарея для електромобіля має працювати у значно ширшому кліматичному діапазоні, а не лише в теплій лабораторії.

Європа може відчути ефект спочатку в накопичувачах, а не в електромобілях із великим запасом ходу

Європі дешеві й безпечні батареї з нижчим сировинним ризиком найтерміновіше потрібні для мережевих накопичувачів та сховищ енергії на сонячних електростанціях. У таких застосуваннях енергія на кілограм важить менше, ніж ціна, пожежна безпека, ресурс циклів і витрати на обслуговування. Саме в цій ніші твердотільна натрієва батарея могла б почати тиснути на LFP-акумулятори.

В електромобілях натрієва хімія, ймовірно, спершу з’явиться в дешевших міських авто, комерційному транспорті та моделях для холодного клімату, де ціна й температурна витривалість можуть переважити нижчу енергетичну щільність. Преміальні електромобілі та далекобійні моделі ще кілька років залишатимуться територією високоенергетичних літієвих хімій.

Технічний зріз

Електроліт: твердий полімерний електроліт на основі поліетиленоксиду та натрієвої солі з доданими 2-нм листами GCN.

Транспорт іонів: іонна провідність більш ніж подвоїлася за 55 °C, а число переносу іонів натрію зросло з 0,19 до 0,51.

Стійкість до дендритів: композитний електроліт пропрацював 1000 годин за 0,1 мА/см² і понад 2000 годин за 0,2 мА/см².

Повна комірка: збереження 95% ємності після 500 циклів за 0,5C, кулонівська ефективність близько 99,97%.

Головне обмеження: технології все ще потрібні нижчі робочі температури та прототипи більшого формату.

Прорив реальний. Але так само реальна й дистанція між розумною лабораторною коміркою та батарейним пакетом, який має пережити роки заряджань, мороз, спеку й нетерплячих водіїв.