Практическому применению натрий-металлических батарей пока мешают проблемы с безопасностью и стабильностью. Металлический натрий отличается высокой химической активностью и может вступать в нежелательные реакции с обычными жидкими электролитами. Кроме того, на поверхности электрода металлическое вещество осаждается неравномерно, образуя дендриты, которые могут повредить аккумулятор и повысить риск короткого замыкания.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали электролит на основе полимеризованного глубокого эвтектического растворителя (PDES). В состав растворителя вошли три компонента: перхлорат натрия (NaClO₄), N-изопропилакриламид (NIPAM) и сукцинонитрил (SN). Они взаимодействуют посредством водородных связей и ионно-дипольных взаимодействий. Перхлорат натрия служит источником ионов натрия, NIPAM участвует в формировании полимерной структуры, а сукцинонитрил повышает гибкость смеси и способствует разделению ионов.
На следующем этапе ученые провели полимеризацию смеси. В результате образовалась прочная матрица, которая помогает удерживать электролит и предотвращать его утечку, сохраняя при этом способность проводить ионы натрия. Оптимизированный состав обеспечил ионную проводимость 1,39 мСм/см при температуре 30°С, а число переноса ионов натрия составило 0,58. Это означает, что на натриевые ионы приходится значительная доля заряда, переносимого через электролит. Таким образом, разработчикам удалось совместить устойчивую полимерную структуру с эффективным переносом ионов.
В испытаниях полноценных аккумуляторных элементов начальная разрядная емкость составила 110,2 мА·ч/г при скорости разряда 0,1С, а кулоновская эффективность приблизилась к 99%. При скорости разряда 2С батарея сохранила 90,4% емкости после 1000 циклов.
Электролит также помог сформировать стабильную границу между электродом и электролитом, что уменьшило побочные реакции и неравномерное осаждение натрия. Кроме того, электролит продемонстрировал устойчивость к воспламенению при воздействии пламени и снизил риск утечки. В демонстрационном эксперименте пакетный элемент продолжал питать светодиод даже после сгибания и разрезания.
Полимерный электролит может помочь преодолеть некоторые ограничения натрий-металлических аккумуляторов. Это потенциально приблизит такие батареи к практическому применению, однако их характеристики еще предстоит проверить на более крупных элементах и в условиях реальной эксплуатации.
