RICHLAND, Washington / LONDON– Istraživači u Pacifičkom sjeverozapadnom nacionalnom laboratoriju (PNNL) američkog Ministarstva energetike razvili su novu hemiju elektrolita koja omogućava visoko-natrijumskim-jonskim baterijama da rade sa neviđenom stabilnošću, rješavajući dugotrajnu-prepreku komercijalnoj konkurentnosti tehnologije.
Objavljeno u časopisu Nano Energy, rad uvodi "meta-slabo solvatirajući elektrolit" -, filozofiju dizajna koja namjerno labavi vezu između jona natrijuma i molekula rastvarača kako bi se suzbile štetne sporedne reakcije na površinama elektroda. Pristup predstavlja fundamentalno odstupanje od konvencionalnog inženjeringa elektrolita.
Nova paradigma za kontrolu rješavanja
Uobičajeno korištene formulacije elektrolita za baterije općenito su razvijene da solvatiraju metalne ione u dovoljnoj mjeri tako da se ioni metala mogu kretati kroz tekućinu i nositi naboj. Međutim, jaka povezanost iona metala s otapalom rezultira stvaranjem nevjerovatno stabilne ionske "ljuske" koja okružuje metalne ione, čime se sprječava razbijanje ove ljuske na površini elektrode i zarobljavanje molekula elektrolita u parazitskim kemijskim reakcijama nakon što se ova ljuska razbije. Rezultat je da se elektrolit troši na degradaciju baterije i ubrzava smanjenje kapaciteta baterije.
Istraživači PNNL-a su zauzeli drugačiji pristup i razvili meta-slabo solvatirajući elektrolit gdje joni natrijuma imaju mnogo manju silu vezivanja za molekule rastvarača. Meta-slabo solvatirajući elektrolit ima strukturu srednje solvatacije koja omogućava jonima natrijuma da zauzmu ovu strukturu i imaju različite karakteristike jona na međusklopu elektrode. Kao rezultat toga, jake interakcije otapala-jona ne stvaraju pretjerano stabilne jonske ljuske na sučelju elektrode koje dovode do degradacije baterije.
"Meta-slabo solvatirajuća priroda, definisana kao solvatacija Na⁺ značajno slabija od one kod jednog- elektrolita sa najslabijom komponentom rastvarača, potvrđena je ²³Na NMR-om," napisali su istraživači. Kroz komplementarne spektroskopske analize - uključujući Raman i FT-IR - tim je pokazao da oslabljena solvatacija proizlazi iz poboljšane dinamike solvatacije i pretežno utiče na koordinaciju rastvarača.
Industrija{0}}Relevantni učinak
Rezultati su pokazali jasne prednosti. Predloženi dizajn ćelije baterije postigao je poboljšanu pokretljivost natrijuma, dok su konvencionalne kolege pokazale raniju degradaciju i nestabilnost. Testovi struje curenja potvrdili su da ćelija koja koristi meta-slabo solvatirajući elektrolit pruža najbolju-naponsku međufaznu stabilnost, u skladu sa smanjenom reaktivnošću slobodnog-otapala i poboljšanom formacijom međufaze katoda-elektrolit (CEI).
Najvažnije je da su pune ćelije zadržale 80% svog kapaciteta nakon 500 ciklusa, značajno nadmašujući i konvencionalne elektrolite-bazirane na karbonatima i lokalizovane elektrolite visoke{3}}koncentracije (LHCE). Glavni autor An L. Phan je primijetio da "novi elektrolit predstavlja novu strategiju za regulaciju strukture solvatacije Na koja može olakšati povoljne reakcije i potisnuti neželjene", što rezultira smanjenim nepovratnim gubitkom i degradacijom ćelijskih materijala u praktičnim uvjetima.
Zašto je natrijum{0}}jon bitan
Natrijum{0}}jonske baterije su razmatrane kao opcija jer imaju sličnu hemiju, ali se također razlikuju u pogledu količine, pristupačnosti, cijene i stabilnosti u odnosu na Li-. Međutim, natrijum{3}}ionskim baterijama i dalje je potrebno više vremena da se komercijalno razvijaju u poređenju sa litijumskim, s lakhovima komercijalnih limuzina napravljenih s litijum-jonskim baterijama koje se prodaju od 1990-ih, a električno vozilo koje koristi natrijum{6}}ionsku hemiju lansirano je krajem 2023. sa manje od 1% svjetske proizvodnje litijuma kao {9} 2025.
Ta dinamika se brzo mijenja. CATL, najveći svjetski proizvođač baterija, potvrdio je planove za široku primjenu-natrijum{2}}jona u više sektora počevši od 2026. godine, uključujući narudžbu sistema za pohranu energije od 60 GWh. BYD je započeo izgradnju svoje prve fabrike natrijum{6}}jonskih baterija. Tržište natrijum{8}}jonskih baterija trenutno je procijenjeno na 2,9 milijardi i projektovano na više nego duplo na 2,9 milijardi i projektovano na više od dvostruko na 6,2 milijarde do 2031. Prema IEA, efikasna solvaciona struktura{13}}bogata anjonima se ostvaruje uz održavanje povoljne Na⁺mo lokalne desolacije.
Outlook
Proboj PNNL-a dolazi u ključni trenutak za natrijum{0}}jonsku tehnologiju. Rješavajući međufaznu nestabilnost koja je historijski ograničavala rad visokog-napona, meta-slabo solvatirajući elektrolit uklanja ključnu prepreku za postizanje gustoće energije potrebne za šire usvajanje EV. Istraživanje je u cijelosti dostupno u Nano Energy, tom 154, jul 2026.
S obzirom da se 2026. naširoko smatra "prvom godinom" komercijalizacije natrijum{1}}jonskih baterija, i sa velikim proizvođačima baterija koji su potpisali ugovore o opskrbi sa više-gigavat-satima, prozor za tehnologije za pohranu energije zasnovane na natrijumu{4}}za traženje značajnog udjela na globalnom tržištu baterija nikada nije bio širi.
