Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа под руководством доцента кафедры машиностроения Инженерно-технологического колледжа Национального университета Сингапура Палани Балайи успешно решила ключевые проблемы безопасности и производительности полностью твердотельных натриевых батарей, используя недорогую добавку — графитовый нитрид углерода (GCN). Это достижение открывает масштабируемый путь к созданию безопасных и экономичных полностью твердотельных натриевых батарей. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Неравномерное глобальное распределение литиевых ресурсов и рост их стоимости побуждают промышленность искать альтернативы. Содержание натрия в земной коре примерно в 1000 раз превышает содержание лития, и его можно извлекать из морской воды, что делает его идеальным кандидатом для хранения энергии на уровне электросетей. Однако большинство натрий-ионных батарей используют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, что создает риски для безопасности. Твердотельные полимерные электролиты могут устранить эти недостатки, но они обладают низкой скоростью переноса ионов натрия и нестабильным контактом с натриевым металлическим анодом, что приводит к образованию дендритов и коротким замыканиям.
Исследовательская группа добавила GCN в полимерную электролитную пленку, изготовленную из полиэтиленоксида и натриевой соли. GCN — это богатый азотом материал, который синтезируется путем нагревания мочевины на воздухе до 550 градусов Цельсия, образуя пластинки толщиной около двух нанометров. Высокая удельная поверхность GCN нарушает склонность полимера к образованию жестких кристаллических областей, способствуя формированию гибких неупорядоченных зон, что позволяет ионам натрия двигаться более свободно. В то же время богатые азотом активные центры на его поверхности оттягивают ионы натрия от соответствующих натриевых солей, высвобождая больше носителей заряда. Этот комбинированный эффект более чем удваивает ионную проводимость электролита при 55 градусах Цельсия, повышает число переноса с 0,19 до 0,51, снижает поляризацию и повышает эффективность.
Добавка GCN также изменила интерфейс между электролитом и натриевым металлическим электродом. Прочность этого композитного полимера в три раза выше, чем у немодифицированного полимера, что физически предотвращает проникновение дендритов. Кроме того, добавка способствует образованию на поверхности электрода богатого неорганическими веществами натриевого защитного слоя, который направляет равномерное осаждение натрия и подавляет побочные реакции. При плотности тока 0,1 мА см⁻² модифицированный электролит стабильно работал в течение 1000 часов без короткого замыкания, тогда как немодифицированный электролит закоротил в течение 250 часов. При плотности тока 0,2 мА см⁻² модифицированный электролит работал без сбоев более 2000 часов.
Исследовательская группа собрала полностью твердотельную батарею с катодом из углерод-покрытого цинк-легированного фосфата ванадия натрия и натриевым металлическим анодом для оценки. При скорости заряда/разряда 0,5C батарея сохранила 95% емкости после 500 циклов с кулоновской эффективностью около 99,97% и выдерживала скорость до 2C, восстанавливая 99% емкости после возврата к более низкой скорости. Исследователи также создали однослойный мягкий аккумуляторный элемент, который продолжал питать светодиод во время складывания, разворачивания и даже разрезания без короткого замыкания.
Эта полностью твердотельная система является последним достижением исследовательского проекта по натрий-ионным батареям Инженерно-технологического колледжа Национального университета Сингапура. Эта же группа ранее разработала негорючие жидкие электролиты, выдерживающие прямое воздействие пламени в течение 60 секунд и сохраняющие стабильность при температурах до 270 градусов Цельсия, а также огнестойкие электролиты и влагостойкие катоды из слоистого оксида. В настоящее время группа оптимизирует твердотельные натрий-ионные батареи для стабильной работы при температурах, близких к комнатной, стремясь к стабильной производительности при 45 градусах Цельсия, одновременно разрабатывая биполярную полностью твердотельную архитектуру для повышения плотности энергии.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
