de.wedoany.com-Bericht: Chinesische Forscher haben einen neuartigen quasi-festen Elektrolyten entwickelt, der Natrium-Metall-Batterien schnelleres Laden, eine längere Zyklenlebensdauer und höhere Sicherheit ermöglicht.
Ein Forschungsteam der Southeast University hat in Zusammenarbeit mit HiNa Battery Technology und der Yangzhou University einen dual-vermittelnden Elektrolyten entwickelt, der zwei zentrale Herausforderungen von Natrium-Metall-Batterien adressiert: die langsame Natriumionen-Transportgeschwindigkeit sowie das Dendritenwachstum und Batterieausfälle durch instabile Grenzflächenreaktionen.
Natriumionen-Batterien gelten aufgrund der reichhaltigen Natriumressourcen und geringeren Lieferketten-Einschränkungen als kostengünstige Alternative zu Lithium-Ionen-Systemen und haben in den letzten Jahren zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen. In der praktischen Anwendung bleibt jedoch das Erreichen schneller Ladezeiten ohne Beeinträchtigung der Zyklenlebensdauer eine große Herausforderung.
Das Forschungsteam berichtet, dass der neue Elektrolyt eine Natriumionen-Überführungszahl von 0,94 erreicht, während er eine Ionenleitfähigkeit von 1,3 mS cm⁻¹ beibehält. Im Vergleich dazu liegen die Überführungszahlen herkömmlicher quasi-fester Elektrolyte typischerweise nur im Bereich von 0,4 bis 0,7, was die Verbesserung der Ladeleistung einschränkt.
Der Elektrolyt verwendet eine Kombination aus Zinnionen (Sn²⁺) und Difluoroxalatoborat-Ionen (DFOB⁻), die gemeinsam die Elektrolytstruktur und das Bewegungsverhalten der Natriumionen regulieren. Die Studie zeigt, dass DFOB⁻ die Wechselwirkung zwischen Natriumionen und dem Polymernetzwerk abschwächt und so mehr frei bewegliche Natriumionen freisetzt. Simulationsergebnisse zeigen eine Natriumionen-Diffusionsrate von 16,8 Ų ns⁻¹, die etwa sechsmal schneller ist als bei herkömmlichen flüssigen Elektrolyten.
Dieses duale Verschränkungsdesign verbessert zudem die Gesamtstabilität des Elektrolyten, indem es die Ionenkoordination im Volumen und an der Grenzfläche ausgleicht. Dies gewährleistet einen reibungsloseren Natriumionentransport unter hohen Stromdichten, reduziert die Konzentrationspolarisation und trägt zur Aufrechterhaltung der Leistungskonsistenz von symmetrischen und vollständigen Batterien während schneller Lade-Entlade-Zyklen bei. Die gebildete Grenzschicht kann Dendriten wirksam unterdrücken – nadelartige Metallstrukturen, deren Wachstum interne Kurzschlüsse verursachen und die Batterielebensdauer verkürzen kann.
In Labortests lief eine symmetrische Natriumbatterie bei einer Stromdichte von 0,1 mA cm⁻² 6000 Stunden lang ohne dendritenbedingte Ausfälle, und die kritische Stromdichte des Systems erreichte 3,0 mA cm⁻². Gepaart mit einer Natrium-Vanadium-Phosphat-Kathode lieferte die Batterie bei einer ultraschnellen Laderate von etwa vier Minuten eine Kapazität von 80,1 mAh g⁻¹. Bei einer hohen Laderate von 3C behielt die Batterie nach 2000 Lade-Entlade-Zyklen eine Kapazitätserhaltung von 90 %.
Der Elektrolyt bleibt bei Spannungen von bis zu 4,7 Volt stabil, was die Kompatibilität mit höherspannigen Kathodenmaterialien erweitern könnte. Das Team ging über Knopfzellentests hinaus: Drucklose Pouch-Zellen funktionierten auch nach wiederholtem Falten normal und konnten ein Smartphone antreiben. Tests mit Hochlast-Batteriekonfigurationen und anderen Kathodenchemien zeigten ebenfalls positive Ergebnisse.
Das Team gibt an, dass dieser Ansatz auf Lithium-Metall- und Kalium-Metall-Batterien übertragbar ist, während die Kompatibilität mit bestehenden Batterieherstellungsprozessen erhalten bleibt. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nano-Micro Letters veröffentlicht.
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