RICHLAND, Washington / LONDON– Raziskovalci v pacifiškem severozahodnem nacionalnem laboratoriju (PNNL) Ministrstva za energijo ZDA so razvili novo kemijo elektrolitov, ki omogoča visoko{2}}napetostnim natrijevim-ionskim baterijam, da delujejo s stabilnostjo brez primere, s čimer obravnavajo dolgoletno-oviro komercialni konkurenčnosti tehnologije.
Delo, objavljeno v reviji Nano Energy, predstavlja "meta-šibko solvatni elektrolit" - filozofijo oblikovanja, ki namerno zrahlja vez med natrijevimi ioni in molekulami topila, da zatre škodljive stranske reakcije na površinah elektrod. Pristop predstavlja temeljni odmik od običajnega inženiringa elektrolitov.
Nova paradigma za nadzor solvatacije
Običajno uporabljene formulacije elektrolitov za baterije so na splošno razvite za zadostno solvatacijo kovinskih ionov, tako da se kovinski ioni lahko premikajo skozi tekočino in prenašajo naboj. Vendar pa močna povezava kovinskega iona s topilom povzroči nastanek neverjetno stabilne ionske "lupine", ki obdaja kovinske ione in s tem prepreči razgradnjo te lupine na površini elektrode in ujetost molekul elektrolita v parazitske kemične reakcije, ko se ta lupina zlomi. Posledica tega je, da se elektrolit porabi pri razgradnji baterije in pospeši zmanjševanje zmogljivosti baterije.
Raziskovalci PNNL so ubrali drugačen pristop in razvili meta-šibko solvatni elektrolit, kjer imajo natrijevi ioni veliko manjšo vezavno silo na molekule topila. Meta-šibko solvatni elektrolit ima vmesno solvatno strukturo, ki omogoča, da natrijevi ioni zasedejo to strukturo in imajo različne lastnosti ionov na vmesniku elektrode. Posledično močne interakcije-ionov topila ne ustvarjajo preveč stabilnih ionskih lupin na vmesniku elektrod, ki bi povzročile degradacijo baterije.
»Meta-šibko topna narava, opredeljena kot solvacija Na⁺, ki je znatno šibkejša od solvacije posameznega-topilnega elektrolita z najšibkejšo komponento topila, je potrjena z ²³Na NMR,« so zapisali raziskovalci. S komplementarnimi spektroskopskimi analizami -, vključno z Ramanovo in FT-IR -, je ekipa dokazala, da oslabljena solvatacija izhaja iz izboljšane solvatacijske dinamike in pretežno vpliva na koordinacijo topil.
Uspešnost-pomembna panoga
Rezultati so pokazali jasne prednosti. Predlagana zasnova baterijske celice je dosegla izboljšano mobilnost natrija, medtem ko so konvencionalne protipostavke pokazale zgodnejšo degradacijo in nestabilnost. Preskusi uhajalnega toka so potrdili, da celica, ki uporablja meta-šibko solvatni elektrolit, zagotavlja najboljšo visoko-napetostno medfazno stabilnost, skladno z zmanjšano reaktivnostjo prostih-topil in izboljšano tvorbo medfaze katoda–elektrolit (CEI).
Bistveno je, da so polne celice po 500 ciklih ohranile 80 % svoje zmogljivosti, kar je znatno preseglo tako običajne elektrolite na osnovi karbonata-kot lokalizirane elektrolite z visoko-koncentracijo (LHCE). Vodilni avtor An L. Phan je opozoril, da "novi elektrolit predstavlja novo strategijo za uravnavanje solvatne strukture Na, ki lahko olajša ugodne reakcije in zatre neželene," kar ima za posledico zmanjšano nepopravljivo izgubo in razgradnjo celičnih materialov v praktičnih pogojih.
Zakaj je natrijev-ion pomemben
Natrijeve-ionske baterije so bile obravnavane kot možnost, ker imajo podobne kemijske lastnosti, vendar se razlikujejo tudi glede številčnosti, dostopnosti, cene in stabilnosti v primerjavi z Li-ionskimi. Vendar komercialni razvoj natrijev-ionskih baterij v primerjavi z litijevimi še vedno traja dlje, saj je bilo od devetdesetih let prejšnjega stoletja prodanih tisoč komercialnih limuzin, narejenih z litij-ionskimi baterijami, električno vozilo, ki uporablja natrijev-ionsko kemijo, pa je bilo lansirano konec leta 2023 z manj kot 1 % celotne svetovne proizvodnje litij-ionskih baterij 2025.
Ta dinamika se hitro spreminja. CATL, največji proizvajalec baterij na svetu, je potrdil načrte za-uvedbo natrijevih-ionov v številnih sektorjih z začetkom leta 2026, vključno z naročilom sistema za shranjevanje energije 60 GWh. BYD je začel graditi svojo prvo tovarno natrijevih-ionskih baterij. Trg natrijevih-ionskih baterij je trenutno ocenjen na 2,9 milijardein predvidoma več kot dvojno do 2,9 milijardeinpredvideno do več kot dvojno do 6,2 milijarde do leta 2031. Po podatkih IEA se realizira učinkovita solvatna-struktura, bogata z anioni, medtem ko se ohranjata ugodna lokalna mobilnost in raztapljanje Na⁺.
Outlook
Preboj PNNL prihaja v ključni trenutek za tehnologijo natrijevih{0}}ionov. Z razrešitvijo medfazne nestabilnosti, ki je v preteklosti omejevala visoko-napetostno delovanje, meta-šibko solvatni elektrolit odstrani ključno oviro za doseganje energijskih gostot, potrebnih za širšo uporabo električnih vozil. Raziskava je v celoti na voljo v Nano Energy, zvezek 154, julij 2026.
Ker leto 2026 na splošno velja za »prvo leto« komercializacije natrijevih-ionskih baterij in z velikimi proizvajalci baterij, ki so podpisali več-gigavat-urne pogodbe o dobavi, okno za tehnologije shranjevanja energije, ki temeljijo na natriju-, da pridobijo pomemben delež na svetovnem trgu baterij, še nikoli ni bilo širše.
