RICHLAND, Wash. / LONDON– JAV Energetikos departamento Ramiojo vandenyno šiaurės vakarų nacionalinės laboratorijos (PNNL) mokslininkai sukūrė naują elektrolitų chemiją, kuri leidžia aukštos -įtampos natrio- jonų akumuliatoriams veikti beprecedente stabiliai, o tai pašalina ilgalaikę -kliūtį šios technologijos komerciniam konkurencingumui.
Žurnale „Nano Energy“ paskelbtame darbe pristatomas „meta{0}}silpnai tirpstantis elektrolitas“ - – projektavimo filosofija, kuri sąmoningai atpalaiduoja ryšį tarp natrio jonų ir tirpiklio molekulių, kad būtų slopinamos žalingos pašalinės reakcijos elektrodų paviršiuose. Šis metodas yra esminis nukrypimas nuo įprastos elektrolitų inžinerijos.
Nauja sprendimų valdymo paradigma
Dažniausiai naudojamos akumuliatoriaus elektrolitų kompozicijos paprastai yra sukurtos taip, kad metalo jonai būtų pakankamai tirpinami, kad metalo jonai galėtų judėti skysčiu ir nešti krūvį. Tačiau dėl stiprios metalo jonų sąsajos su tirpikliu susidaro neįtikėtinai stabilus joninis „apvalkalas“, supantis metalo jonus, taip užkertant kelią šio apvalkalo skilimui prie elektrodo paviršiaus ir elektrolitų molekulėms įstrigti vykstant parazitinėms cheminėms reakcijoms, kai šis apvalkalas sulūžta. Rezultatas yra tai, kad elektrolitas sunaudojamas akumuliatoriaus degradacijos metu ir pagreitina akumuliatoriaus talpos nykimą.
PNNL mokslininkai laikėsi kitokio požiūrio ir sukūrė meta{0}}silpnai tirpstantį elektrolitą, kuriame natrio jonai turi daug mažesnę jėgą surišti su tirpiklio molekulėmis. Silpnai solvatuojantis elektrolitas turi tarpinę solvatavimo struktūrą, leidžiančią natrio jonams užimti šią struktūrą ir turėti skirtingas jonų charakteristikas elektrodo sąsajoje. Dėl to stiprios tirpiklių-jonų sąveikos elektrodo sąsajoje nesukuria pernelyg stabilių jonų apvalkalų, dėl kurių suyra baterija.
„Meta-silpnai tirpstantis pobūdis, apibrėžiamas kaip Na⁺ tirpimas, žymiai silpnesnis nei vieno -tirpiklio elektrolito, kurio tirpiklio komponentas yra silpniausias, patvirtina ²³Na BMR“, – rašė mokslininkai. Atlikdama papildomas spektroskopines analizes -, įskaitant Ramaną ir FT-IR -, komanda parodė, kad susilpnėjęs tirpimas atsiranda dėl patobulintos tirpinimo dinamikos ir daugiausia veikia tirpiklių koordinavimą.
Pramonės-Atitinkamas našumas
Rezultatai parodė aiškius pranašumus. Siūlomas baterijos elementų dizainas pagerino natrio mobilumą, o įprasti analogai anksčiau degradavo ir buvo nestabilūs. Srovės nuotėkio bandymai patvirtino, kad elementas, kuriame naudojamas meta-silpnai tirpstantis elektrolitas, užtikrina geriausią aukštos-įtampos sąsajos stabilumą, atitinkantį sumažėjusį laisvojo-tirpiklio reaktyvumą ir patobulintą katodo ir elektrolito tarpfazės (CEI) susidarymą.
Labai svarbu, kad pilnos ląstelės išlaikė 80 % savo talpos po 500 ciklų, žymiai pranokdamos tiek įprastus karbonato -elektrolitus, tiek vietinius didelės-koncentracijos elektrolitus (LHCE). Pagrindinis autorius An L. Phan pažymėjo, kad „naujasis elektrolitas yra nauja strategija, skirta reguliuoti Na solvatacijos struktūrą, kuri gali palengvinti palankias reakcijas ir slopinti nepageidaujamas“, todėl praktinėmis sąlygomis sumažėja negrįžtamas ląstelių medžiagų praradimas ir skaidymas.
Kodėl natrio{0}}jonai svarbūs
Natrio -jonų baterijos buvo svarstomos kaip galimybė, nes jų cheminė sudėtis panaši, tačiau skiriasi gausa, prieinamumu, kaina ir stabilumu, palyginti su li-jonu. Tačiau natrio -jonų baterijų komercinis vystymas vis dar užtrunka ilgiau, palyginti su ličio akumuliatoriais, nuo dešimtojo dešimtmečio parduodami tūkstančiai komercinių sedanų, pagamintų su li-jonų akumuliatoriais, o 2023 m. pabaigoje buvo išleista elektrinė transporto priemonė, kurioje naudojama natrio-jonų chemija, o 2023 m.
Ta dinamika sparčiai keičiasi. CATL, didžiausia pasaulyje baterijų gamintoja, patvirtino planus nuo 2026 m. pradėti plataus masto natrio{2} jonų naudojimą keliuose sektoriuose, įskaitant 60 GWh energijos kaupimo sistemos užsakymą. BYD pradėjo statyti pirmąją natrio{6}}jonų baterijų gamyklą. Natrio -jonų baterijų rinka šiuo metu vertinama 2,9 mlrd. ir numatoma daugiau kaip 2,9 mlrd., o iki 2031 m. numatoma daugiau kaip du kartus iki 6,2 mlrd. TEA teigimu, efektyvi anijonų{13}}spręsimo struktūra yra įgyvendinama išlaikant palankų vietinį mobilumą ir olvades.
Outlook
PNNL proveržis pasiekiamas lemiamu momentu natrio{0}}jonų technologijai. Išspręsdamas sąsajos nestabilumą, kuris istoriškai ribojo aukštos-įtampos veikimą, silpnai tirpstantis elektrolitas pašalina pagrindinę kliūtį pasiekti energijos tankį, reikalingą plačiam EV pritaikymui. Visą tyrimą galima rasti „Nano Energy“, 154 tomas, 2026 m. liepos mėn.
2026 m. plačiai laikomi pirmaisiais natrio -jonų baterijų komercializavimo metais, o didiesiems baterijų gamintojams pasirašius kelių -gigavatų-valandžių tiekimo sutartis, natrio- pagrįstų energijos kaupimo technologijų galimybės užimti reikšmingą pasaulinės baterijų rinkos dalį dar niekada nebuvo platesnės.
