de.wedoany.com-Bericht: Einem Forscherteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Palani Balaya vom Fachbereich Maschinenbau an der Fakultät für Design und Ingenieurwesen der National University of Singapore ist es gelungen, durch die Verwendung eines kostengünstigen Graphit-Kohlenstoffnitrid (GCN)-Additivs zentrale Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit und Leistung von vollfesten Natriumbatterien zu lösen. Dieser Durchbruch bietet einen skalierbaren Weg zu sicheren und wirtschaftlichen vollfesten Natriumbatterien. Die entsprechende Studie wurde in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.
Die ungleiche globale Verteilung von Lithiumressourcen und steigende Kosten treiben die Industrie zur Suche nach Alternativen. Natrium ist in der Erdkruste etwa 1000-mal häufiger als Lithium und kann aus Meerwasser gewonnen werden, was es zu einer idealen Wahl für netzgebundene Energiespeicher macht. Die meisten Natriumionenbatterien sind jedoch auf brennbare flüssige Elektrolyte angewiesen, was Sicherheitsrisiken birgt. Feste Polymerelektrolyte können diese Risiken beseitigen, aber ihre Natriumionenleitung ist langsam und der Kontakt mit der Natriummetall-Anode ist instabil, was zur Bildung von Dendriten und Kurzschlüssen führen kann.
Das Forschungsteam fügte GCN zu einer Polymerelektrolytmembran aus Polyethylenoxid und Natriumsalz hinzu. GCN ist ein stickstoffreiches Material, das durch Erhitzen von Harnstoff in Luft auf 550 Grad Celsius synthetisiert wird und etwa zwei Nanometer dicke Schichten bildet. Die hohe spezifische Oberfläche von GCN stört die Neigung des Polymers zur Bildung starrer kristalliner Bereiche und fördert die Bildung flexibler amorpher Regionen, wodurch sich Natriumionen freier bewegen können. Gleichzeitig lösen die stickstoffreichen aktiven Stellen auf seiner Oberfläche Natriumionen von ihren entsprechenden Natriumsalzen, wodurch mehr Ladungsträger freigesetzt werden. Dieser kombinierte Effekt verdoppelt die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten bei 55 Grad Celsius und erhöht die Überführungszahl von 0,19 auf 0,51, wodurch die Polarisation verringert und die Effizienz gesteigert wird.
Das GCN-Additiv veränderte auch die Grenzfläche zwischen dem Elektrolyten und der Natriummetall-Elektrode. Die Festigkeit dieses Verbundpolymers ist dreimal so hoch wie die des unmodifizierten Polymers, was das Eindringen von Dendriten physikalisch verhindert. Gleichzeitig fördert das Additiv die Bildung einer anorganisch-reichen, natriumbasierten Schutzschicht auf der Elektrodenoberfläche, die eine gleichmäßige Natriumablagerung lenkt und Nebenreaktionen unterdrückt. Bei einer Stromdichte von 0,1 mA cm⁻² arbeitete der modifizierte Elektrolyt 1000 Stunden stabil ohne Kurzschluss, während der unmodifizierte Elektrolyt innerhalb von 250 Stunden kurzschloss; bei einer Stromdichte von 0,2 mA cm⁻² lief der modifizierte Elektrolyt über 2000 Stunden störungsfrei.
Das Forschungsteam baute Vollfestkörperbatterien mit einer kohlenstoffbeschichteten, zinkdotierten Natrium-Vanadiumphosphat-Kathode und einer Natriummetall-Anode zur Bewertung zusammen. Bei einer Lade-/Entladerate von 0,5C behielt die Batterie nach 500 Zyklen 95 % ihrer Kapazität bei, mit einer Coulomb-Effizienz von etwa 99,97 %, und konnte Raten von bis zu 2C standhalten, wobei sie nach Rückkehr zu niedrigeren Raten 99 % ihrer Kapazität wiederherstellte. Die Forscher bauten auch eine einlagige Pouch-Zelle, die während des Faltens, Entfaltens und sogar Schneidens weiterhin eine Leuchtdiode mit Strom versorgen konnte, ohne einen Kurzschluss zu verursachen.
Dieses vollfeste System ist das neueste Ergebnis des Natriumionenbatterie-Forschungsprojekts der Fakultät für Design und Ingenieurwesen der National University of Singapore. Das Team hat auch nicht brennbare flüssige Elektrolyte entwickelt, die 60 Sekunden direktem Flammenkontakt standhalten und bei Temperaturen bis zu 270 Grad Celsius stabil bleiben; darüber hinaus wurden flammhemmende Elektrolyte sowie feuchtigkeitsbeständige Schichtoxid-Kathoden entwickelt. Derzeit optimiert das Team die festen Natriumionenbatterien für einen stabilen Betrieb nahe Raumtemperatur, mit dem Ziel einer stabilen Leistung bei 45 Grad Celsius, während gleichzeitig bipolare Vollfestkörperarchitekturen zur Steigerung der Energiedichte entwickelt werden.
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