Ερευνητές στην Κίνα ανέπτυξαν έναν νέο ηλεκτρολύτη ημι-στερεής κατάστασης που θα μπορούσε να βοηθήσει τις μπαταρίες νατρίου να φορτίζουν γρηγορότερα, να διαρκούν περισσότερο και να λειτουργούν με μεγαλύτερη ασφάλεια.
Η ομάδα από το Νοτιοανατολικό Πανεπιστήμιο, συνεργαζόμενη με την HiNa Battery Technology και το Πανεπιστήμιο Yangzhou, σχεδίασε έναν ηλεκτρολύτη διπλού διαμεσολαβητή που αντιμετωπίζει δύο βασικές προκλήσεις στις μπαταρίες νατρίου: την αργή μεταφορά ιόντων νατρίου και τις ασταθείς διεπιφάνειες που μπορούν να οδηγήσουν σε ανάπτυξη δενδριτών και αποτυχία της μπαταρίας.
Οι μπαταρίες νατρίου κερδίζουν ολοένα και μεγαλύτερο ενδιαφέρον ως οικονομικότερη εναλλακτική λύση στα συστήματα ιόντων λιθίου, επειδή το νάτριο είναι ευρέως διαθέσιμο και λιγότερο ευάλωτο σε περιορισμούς της εφοδιαστικής αλυσίδας. Ωστόσο, η επίτευξη γρήγορης φόρτισης χωρίς θυσία του κύκλου ζωής παραμένει δύσκολη.
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι ο νέος ηλεκτρολύτης τους παρέχει αριθμό μεταβίβασης ιόντων νατρίου 0,94, ενώ διατηρεί αγωγιμότητα ιόντων 1,3 mS cm⁻¹.
Οι συμβατικοί ηλεκτρολύτες ημι-στερεής κατάστασης συνήθως καταγράφουν αριθμούς μεταβίβασης μεταξύ 0,4 και 0,7, περιορίζοντας την απόδοση φόρτισης.
Γρηγορότερη ροή ιόντων
Ο ηλεκτρολύτης χρησιμοποιεί έναν συνδυασμό ιόντων κασσιτέρου (Sn²⁺) και διφθορο(οξαλατο)βορατών (DFOB⁻). Μαζί, ρυθμίζουν τόσο τη δομή του ηλεκτρολύτη όσο και την κίνηση των ιόντων νατρίου.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, το DFOB⁻ αποδυναμώνει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιόντων νατρίου και του πολυμερούς δικτύου, απελευθερώνοντας περισσότερα ιόντα νατρίου να κινηθούν μέσω του ηλεκτρολύτη.
Οι προσομοιώσεις έδειξαν ρυθμούς διάχυσης ιόντων νατρίου 16,8 Ų ns⁻¹, περίπου έξι φορές ταχύτερους από αυτούς που παρατηρούνται σε συμβατικούς υγρούς ηλεκτρολύτες.
Το υλικό επίσης σχηματίζει προστατευτικά στρώματα και στους δύο ηλεκτροδίους της μπαταρίας κατά τη λειτουργία.
Στην άνοδο του μετάλλου νατρίου, τα ιόντα κασσιτέρου δημιουργούν μια διεπιφάνεια πλούσια σε κράμα νατρίου-κασσιτέρου που προάγει ομοιόμορφη απόθεση νατρίου.
Στην κάθοδο, το DFOB⁻ βοηθά στη δημιουργία ενός λεπτού και μηχανικά ανθεκτικού προστατευτικού στρώματος που μειώνει την υποβάθμιση του ηλεκτρολύτη.
Ο σχεδιασμός διπλής αλληλοκλειδωμένης διεπιφάνειας βελτιώνει επίσης τη συνολική σταθερότητα του ηλεκτρολύτη, εξισορροπώντας το συντονισμό των ιόντων στον όγκο και στις διεπιφάνειες, διασφαλίζοντας ομαλότερη μεταφορά νατρίου υπό υψηλές συνθήκες ρεύματος.
Αυτό μειώνει την πόλωση συγκέντρωσης και βοηθά στη διατήρηση σταθερής απόδοσης κατά τους κύκλους γρήγορης φόρτισης σε συμμετρικές και πλήρεις κυψέλες.
Αυτά τα διεπιφανειακά στρώματα έχουν σχεδιαστεί για να καταστέλλουν τους δενδρίτες, τις βελονοειδείς μεταλλικές δομές που μπορούν να προκαλέσουν βραχυκυκλώματα και να μειώσουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Τα αποτελέσματα απόδοσης ήταν από τα ισχυρότερα που έχουν αναφερθεί για συστήματα μπαταριών νατρίου.
Μακροχρόνια σταθερότητα κύκλου
Σε εργαστηριακές δοκιμές, συμμετρικές κυψέλες νατρίου λειτούργησαν για 6.000 ώρες χωρίς αποτυχία λόγω δενδριτών, με πυκνότητα ρεύματος 0,1 mA cm⁻². Το σύστημα επίσης έφτασε κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος 3,0 mA cm⁻².
Όταν συνδυάστηκαν με καθόδους φωσφορικού νατρίου-βαναδίου, οι μπαταρίες παρείχαν ακόμα 80,1 mAh g⁻¹ ακόμη και σε υπερ-γρήγορο ρυθμό φόρτισης ισοδύναμο με πλήρη φόρτιση σε περίπου τέσσερα λεπτά.
Οι κυψέλες διατήρησαν επίσης το 90% της χωρητικότητάς τους μετά από 2.000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης σε υψηλό ρυθμό φόρτισης 3C.
Ο ηλεκτρολύτης παρέμεινε σταθερός έως 4,7 βολτ, επεκτείνοντας ενδεχομένως τη συμβατότητά του με υλικά καθόδου υψηλότερης τάσης.
Οι ερευνητές επίσης προχώρησαν πέρα από τη δοκιμή σε coin-cell (σ.σ: αναφέρεται σε μικρές, στρογγυλές μπαταρίες σαν αυτές που χρησιμοποιούνται σε ρολόγια ή ηλεκτρονικές συσκευές).
Κυψέλες pouch (σ.σ: σαν μια “σακούλα” που κρατά μέσα τη μπαταρία αντί για μεταλλικό κουτί, κάτι που τις καθιστά πιο ελαφριές και ευέλικτες, αλλά ευαίσθητες σε φθορές) χωρίς πίεση συνέχισαν να λειτουργούν ενώ διπλώνονταν επανειλημμένα και μπόρεσαν να τροφοδοτήσουν ένα smartphone. Οι ρυθμίσεις μπαταρίας υψηλού φορτίου και εναλλακτικές χημείες καθόδου έδειξαν επίσης υποσχόμενα αποτελέσματα.
Η ομάδα αναφέρει ότι η προσέγγιση θα μπορούσε να επεκταθεί και σε μπαταρίες λιθίου και καλίου, ενώ παραμένει συμβατή με τις υπάρχουσες μεθόδους κατασκευής μπαταριών.
(Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nano-Micro Letters)
www.worldenergynews.gr
