Dienvidkorejas pētnieki izstrādājuši polimēru elektrolītu, kas varētu palīdzēt risināt vairākas nātrija metāla bateriju drošības un izturības problēmas. Elektrolīta jonu vadītspēja 30 °C temperatūrā sasniedza 1,39 mS/cm, bet nātrija jonu pārneses skaitlis bija 0,58.

Komanda, kuru vadīja Čanam Nacionālās universitātes profesors Čans Džins Parks, materiāla izstrādē izmantoja polimērizējamu dziļā eitektiskā šķīdinātāja elektrolītu jeb PDES. Tā mērķis ir uzlabot nātrija jonu kustību un vienlaikus novērst stabilitātes un drošības problēmas, kas līdz šim ierobežojušas nātrija metāla bateriju praktisku izmantošanu.

Kāpēc tiek pētītas nātrija metāla baterijas

Nātrija metāla baterijas tiek uzskatītas par iespējamu alternatīvu litija jonu sistēmām, jo nātrijs ir plaši pieejams un salīdzinoši lēts. Tomēr nātrija metāls ir ļoti reaģētspējīgs. Saskarē ar tradicionālajiem šķidrajiem elektrolītiem var notikt nevēlamas ķīmiskas reakcijas, kā arī veidoties nevienmērīgi metāla nogulumi jeb dendrīti.

Dendrīti var sabojāt bateriju un palielināt īssavienojuma risku. Tāpēc pētnieki izstrādāja elektrolītu, kas apvieno efektīvu jonu transportu ar stabilāku, cietvielai līdzīgu struktūru.

Elektrolīta sastāvs un darbības princips

PDES elektrolīta sastāvā ir nātrija perhlorāts (NaClO4), N-izopropilakrilamīds (NIPAM) un sukcinonitrils (SN). Šīs vielas kopā veido dziļo eitektisko šķīdinātāju — šķidru maisījumu, kurā komponenti mijiedarbojas, cita starpā veidojot ūdeņraža saites un jonu–dipolu mijiedarbību.

Pēc tam komanda izmantoja in-situ polimerizāciju, lai maisījumu pārvērstu izturīgākā polimēru matricā. Šis process palīdz novērst elektrolīta noplūdi, vienlaikus saglabājot īpašības, kas nepieciešamas nātrija jonu kustībai.

Katrai sastāvdaļai ir atšķirīga funkcija. Nātrija perhlorāts nodrošina nātrija jonus, NIPAM palīdz tos atdalīt un veido polimēra struktūru, savukārt sukcinonitrils uzlabo maisījuma elastību un papildus veicina jonu disociāciju.

Veiktspēja pēc 1000 uzlādes cikliem

Optimizētā elektrolīta jonu vadītspēja sasniedza 1,39 mS/cm 30 °C temperatūrā. Nātrija jonu pārneses skaitlis bija 0,58, kas nozīmē, ka nātrija joni nodrošina būtisku daļu no elektrolītā pārnestā elektriskā lādiņa.

Pilnas baterijas testos elektrolīts palīdzēja izveidot stabilu saskarni starp elektrodu un elektrolītu. Tas samazināja nevēlamas blakusreakcijas un neregulāru nātrija augšanu atkārtotas uzlādes un izlādes laikā.

Sākotnējā izlādes ietilpība bija 110,2 mAh/g pie 0,1C, bet Kulona efektivitāte bija gandrīz 99%. Būtiskākais rezultāts tika iegūts ilgstošas darbības pārbaudē: pēc 1000 cikliem pie 2C baterija saglabāja 90,4% no savas ietilpības.

Drošības un mehāniskās izturības pārbaudes

Pētnieki pārbaudīja arī elektrolīta drošību un mehāniskās īpašības. Materiāls, pakļauts liesmai, izrādīja izturību pret aizdegšanos, turklāt tā izmantošana samazināja noplūdes risku.

Pouch-cell demonstrācijā baterija turpināja darbināt LED arī pēc salocīšanas un pārgriešanas. Tas liecina par elektrolīta mehānisko izturību, tomēr pats eksperiments vēl nepierāda, ka tehnoloģija būtu gatava plašai komerciālai izmantošanai.

Rezultāti norāda, ka polimēru elektrolīts varētu palīdzēt pārvarēt daļu no nātrija metāla bateriju izturības un drošības ierobežojumiem. Lai novērtētu tehnoloģijas praktisko potenciālu, būs nepieciešami turpmāki testi lielākās bateriju šūnās un reālos ekspluatācijas apstākļos.

Pētījums ar nosaukumu “Noncovalent interaction-regulated polymerizable deep eutectic solvent electrolyte for sodium metal batteries” publicēts žurnālā Energy Storage Materials.