Bleskové nabíjení a dlouhá životnost: Nová sodíková baterie si po 2000 cyklech drží 90 % kapacity

Čínští vědci vyvinuli nový kvazipevný elektrolyt, který by mohl výrazně zlepšit sodíkové kovové baterie. Tyto baterie by se díky němu mohly nabíjet rychleji, vydržet déle a fungovat bezpečněji.

Čínští vědci vyvinuli nový kvazipevný elektrolyt, který by mohl výrazně zlepšit sodíkové kovové baterie. Tyto baterie by se díky němu mohly nabíjet rychleji, vydržet déle a fungovat bezpečněji. Tým z Jihovýchodní univerzity, ve spolupráci s HiNa Battery Technology a Univerzitou Yangzhou, navrhl elektrolyt s duálním mediátorem, který řeší dvě hlavní výzvy sodíkových baterií: pomalý transport sodíkových iontů a nestabilní rozhraní, která mohou vést k růstu dendritů a selhání baterie.

Sodíkové baterie získávají stále větší pozornost jako levnější alternativa k lithium-iontovým systémům, protože sodík je široce dostupný a méně náchylný k problémům v dodavatelských řetězcích. Dosažení rychlého nabíjení bez obětování životnosti cyklů však dosud zůstávalo obtížné. Nový elektrolyt dosahuje přenosového čísla sodíkových iontů 0,94 při zachování iontové vodivosti 1,3 mS cm⁻¹. Konvenční kvazipevné elektrolyty obvykle zaznamenávají přenosová čísla mezi 0,4 a 0,7, což omezuje výkon nabíjení.

Elektrolyt využívá kombinaci iontů cínu (Sn²⁺) a difluoro(oxalato)borátu (DFOB⁻). Společně regulují jak strukturu elektrolytu, tak pohyb sodíkových iontů. DFOB⁻ oslabuje interakce mezi sodíkovými ionty a polymerní sítí, čímž uvolňuje více sodíkových iontů k pohybu elektrolytem. Simulace ukázaly, že rychlosti difúze sodíkových iontů dosahují 16,8 Ų ns⁻¹, což je zhruba šestkrát rychleji než u konvenčních kapalných elektrolytů. Materiál také během provozu vytváří ochranné vrstvy na obou elektrodách baterie. Na sodíkové kovové anodě vytvářejí ionty cínu rozhraní bohaté na slitinu sodíku a cínu, které podporuje rovnoměrné ukládání sodíku. Na katodě DFOB⁻ pomáhá vytvářet tenkou a mechanicky odolnou ochrannou vrstvu, která snižuje degradaci elektrolytu.

Tento dvojitě propojený design také zlepšuje celkovou stabilitu elektrolytu vyvážením koordinace iontů v objemu i na rozhraních, což zajišťuje hladší transport sodíku i za vysokých proudových podmínek. To snižuje koncentrační polarizaci a pomáhá udržovat konzistentní výkon během rychlých nabíjecích cyklů v symetrických i plných článcích. Tyto rozhraní jsou navržena tak, aby potlačovala dendrity, jehlovité kovové struktury, které mohou způsobit zkraty a zkrátit životnost baterie.

Výsledky výkonu patří mezi nejsilnější hlášené pro sodíkové kovové bateriové systémy. V laboratorních testech fungovaly sodíkové symetrické články 6 000 hodin bez selhání souvisejícího s dendrity při proudové hustotě 0,1 mA cm⁻². Systém také dosáhl kritické proudové hustoty 3,0 mA cm⁻². Ve spojení s katodami z fosforečnanu sodno-vanaditého dodaly baterie 80,1 mAh g⁻¹ i při ultra-rychlé rychlosti nabíjení, která odpovídá plnému nabití za přibližně čtyři minuty. Články si také udržely 90 procent své kapacity po 2 000 nabíjecích a vybíjecích cyklech při vysoké rychlosti nabíjení 3C. Elektrolyt zůstal stabilní až do 4,7 voltů, což potenciálně rozšiřuje jeho kompatibilitu s vysokonapěťovými katodovými materiály. Vědci se posunuli i za testování mincových článků: beztlakové pouzdrové články fungovaly i při opakovaném ohýbání a dokázaly napájet chytrý telefon. Konfigurace baterií s vysokým zatížením a alternativní chemie katod rovněž vykázaly slibné výsledky. Tým uvádí, že tento přístup by mohl být rozšířen na lithiové a draslíkové kovové baterie a zároveň zůstat kompatibilní se stávajícími výrobními metodami baterií.