Натрий — намного более распространенный металл, чем литий, и хорошо подходит для стационарных накопителей энергии, которым важны стоимость и безопасность, а не энергоемкость на килограмм. Но жидкие электролиты создают для натрий-ионных батарей такие же проблемы с безопасностью, что и для литий-ионных, а твердые полимеры плохо проводят ионы натрия и способствуют росту дендритов, которые вызывают короткое замыкание.
Команда ученых из Национального университета Сингапура изготовила листы из гранулированный нитрид углерода, который получают из мочевины. Толщина листов всего 2 нм. При добавлении в полимерную электролитную пленку из полиэтиленоксида и соли натрия они выполняют две функции. Во-первых, разрушают жесткие кристаллические области в полимере, создавая гибкие аморфные зоны, где ионы натрия двигаются свободнее — ионная проводимость при 55°C возрастает более чем вдвое. Во-вторых, азотсодержащие активные центры на поверхности листа оттягивают ионы натрия, увеличивая долю тока, переносимую именно ионами натрия, с 0,19 до 0,51. Это уменьшает поляризацию и повышает КПД, пишет Techxplore.
Кроме того, гранулы нитрида углерода меняют взаимодействие между электролитом и электродом из металлического натрия. Рост дендритов вызывает неравномерное осаждение натрия на аноде. Улучшенный электролит в три раза прочнее исходного и блокирует прорастание дендритов. Кроме того, нитрид углерода способствует формированию на поверхности электрода защитного слоя, который способствует равномерному осаждению металла и подавляет побочные реакции.
В тестах обычный полимер при плотности тока 0,1 мА/см² закоротило через 250 часов; композит с гранулированным нитридом углерода проработал 1000 часов и свыше 2000 часов — при 0,2 мА/см².
Для оценки композитного электролита в полностью собранной батарее исследователи собрали твердотельный элемент питания с катодом из натрия-ванадия-фосфата, легированного цинком и анодом из металлического натрия. Испытания показали сохранение 95% емкости после 500 циклов при скорости зарядки-разрядки 0,5С с выходом по току около 99,97%. Также он выдержал скорость 2С, а по возвращении к более медленному темпу выход по току составил 99%.
Для проверки работоспособности в реальных условиях исследователи создали однослойный элемент в мешочке, который обеспечивал питание светодиода, будучи сложенным, разложенным и даже разрезанным. Непрерывное освещение без коротких замыканий подтвердило необходимый уровень безопасности для коммерческого применения.
В дальнейшем ученые планируют снизить рабочую температуру до 45°C, что сделает технологию более энергоэффективной. Также они разрабатывают биполярную твердотельную архитектуру (стопка ячеек без лишних корпусов) для увеличения плотности энергии.
Китайские исследователи описали новый молекулярный «премедиатор» — специальную добавку внутри батареи, которая становится активной именно в тот момент, когда начинается ключевая химическая реакция. Прототип показал вдвое большую энергетическую плотность, чем лучшие современные литий-ионные аккумуляторы для беспилотников — 549 Вт·ч/кг.
