Исследователи Национального университета Сингапура представили новую конструкцию твердотельной натриевой батареи, которая решает две главные проблемы этого типа аккумуляторов — безопасность и долговечность. Натрий значительно дешевле и распространённее лития, однако большинство натриевых батарей используют жидкие электролиты, которые могут протекать и воспламеняться. Твёрдые полимерные электролиты безопаснее, но страдают от низкой проводимости и роста дендритов — игольчатых структур, вызывающих короткое замыкание.
Изображение: interestingengineering.com
Сингапурская команда решила обе проблемы с помощью графитового нитрида углерода (GCN) — материала, получаемого нагревом мочевины до 550°C. Добавку смешали с полимерной электролитной плёнкой из оксида полиэтилена и натриевой соли. Ультратонкие листы GCN перестроили полимерную структуру, что позволило ионам натрия двигаться свободнее и повысило механическую прочность.
Модифицированный электролит более чем вдвое увеличил ионную проводимость при 55°C. Коэффициент переноса ионов натрия вырос с 0,19 до 0,51. GCN-усиленный полимер стал в три раза прочнее исходной версии, физически сопротивляясь прорастанию дендритов. На поверхности натрия сформировался стабильный защитный слой, обеспечивающий равномерное осаждение металла.
Результаты испытаний впечатляют. Стандартный электролит выходил из строя через 250 часов при плотности тока 0,1 мА/см². Модифицированная версия проработала 1000 часов в тех же условиях и превысила 2000 часов при плотности 0,2 мА/см² — без единого отказа.
Собранные полностью твердотельные натриевые элементы с катодом из фосфата ванадия натрия при скорости заряда-разряда 0,5C сохранили 95% ёмкости после 500 циклов с кулоновской эффективностью около 99,97%. Pouch-версия аккумулятора продолжала питать светодиод даже при складывании и резке, подтверждая безопасность.
«Наш подход силён своей простотой, — отмечает доцент Палани Балая. — GCN получают из одного из самых доступных прекурсоров в мире». Сейчас команда работает над созданием натриевых батарей, эффективных при комнатной температуре, и разрабатывает многослойные архитектуры для повышения энергетической плотности.
