В новой конструкции натриевых батарей используется недорогая добавка для повышения безопасности, проводимости и срока службы батареи.
Исследователи из Национального университета Сингапура разработали более безопасную твердотельную натриевую батарею, используя недорогую добавку, которая улучшает движение ионов и предотвращает опасное образование металлических отложений внутри батареи.
Этот прорыв направлен на решение одной из самых больших проблем, стоящих перед натрий-ионными батареями: безопасность. Хотя натрий дешевле и гораздо более распространен, чем литий, большинство натриевых батарей по-прежнему используют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, которые могут протекать или загораться.
Твердые полимерные электролиты считаются более безопасной альтернативой, но обычно они страдают от плохой проводимости и нестабильного контакта с натриевыми электродами. Со временем внутри батареи образуются дендриты — игольчатые металлические структуры, которые в конечном итоге вызывают короткое замыкание.
Команда NUS решила обе проблемы, используя графитовый нитрид углерода (GCN), материал, получаемый путем нагревания мочевины до 550 градусов Цельсия. Добавка была смешана с полимерной электролитной пленкой, изготовленной из полиэтиленоксида и соли натрия.
Исследователи заявили, что сверхтонкие листы GCN реорганизуют структуру полимера, способствуя более свободному перемещению ионов натрия, а также повышая механическую прочность внутри батареи.
Дешевая добавка, большой прирост.
Модифицированный электролит более чем вдвое увеличил ионную проводимость при температуре 55 градусов Цельсия и значительно повысил число переноса ионов натрия с 0,19 до 0,51.
Команда исследователей заявила, что богатые азотом участки на поверхности GCN помогают отделять ионы натрия от их солевых пар, увеличивая количество ионов, несущих заряд, доступных во время работы.
«Сила нашего подхода заключается в его простоте», — сказала доцент Палани Балая из Национального университета Сингапура.
«GCN можно получить из одного из наиболее распространенных в мире химических прекурсоров и включить в полимерную систему, которая уже масштабируема».
Эта добавка также помогла решить еще одну серьезную проблему в натриево-металлических батареях: образование дендритов.
Повторные циклы зарядки и разрядки обычно приводят к неравномерному накоплению натрия на поверхности электрода, в конечном итоге образуя дендриты, которые прокалывают электролит и разрушают батарею.
По словам исследователей, полимер, улучшенный с помощью GCN, стал в три раза прочнее немодифицированной версии, что позволило ему физически противостоять проникновению дендритов. Он также образовал более стабильный защитный слой на поверхности металлического натрия, способствуя равномерному осаждению натрия.
Батареи служат дольше.
В ходе испытаний стандартный полимерный электролит вышел из строя в течение 250 часов при плотности тока 0,1 мА·см⁻². Модифицированная версия стабильно работала в течение 1000 часов в тех же условиях и превысила 2000 часов при более высокой плотности тока 0,2 мА·см⁻² без сбоев.
Команда также разработала полностью твердотельные натриевые аккумуляторные элементы, используя катод из фосфата ванадия натрия и анод из металлического натрия.
При скорости заряда-разряда 0,5C батареи сохранили 95% своей емкости после 500 циклов, поддерживая при этом кулоновскую эффективность на уровне около 99,97%.
Кроме того, исследователи продемонстрировали вариант пакетного элемента питания, который продолжал питать светодиод даже в сложенном, разложенном и разрезанном состоянии, что свидетельствует об улучшенной безопасности и механической стабильности.
Команда заявила, что в настоящее время работает над натриевыми батареями, которые могут эффективно работать при температуре, близкой к комнатной, а также разрабатывает биполярные многослойные архитектуры, направленные на повышение плотности энергии.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Sourse: interestingengineering.com
