Натрий-металлические аккумуляторы (SMB) считаются перспективной заменой литий-ионным батареям: натрий доступен и дёшев. Но их широкое применение ограничено проблемами безопасности и стабильности. Натрий химически активен, на электродах могут расти дендриты - нитевидные образования, способные замыкать батарею. Обычные жидкие электролиты огнеопасны и токсичны, а при высоких температурах возможен катастрофический отказ.

Группа под руководством профессора Чан-Джина Пака из Университета Чоннам (Южная Корея) разработала полимеризуемый глубокий эвтектический растворитель (PDES) в качестве электролита. Глубокий эвтектический растворитель - это смесь веществ, плавящаяся при более низкой температуре, чем каждый компонент по отдельности. Результаты опубликованы в журнале Energy Storage Materials.

Электролит состоит из перхлората натрия (NaClO4), N-изопропилакриламида (NIPAM) и сукцинонитрила (SN). В жидком виде смесь не горит и химически стабильна, но склонна к утечкам. Чтобы устранить недостаток, учёные провели полимеризацию смеси прямо в батарее и получили твёрдую полимерную матрицу, устойчивую к протеканию. Компоненты подобраны для улучшения переноса ионов натрия: перхлорат натрия служит источником ионов, NIPAM способствует их разделению и образует прочную полимерную сетку, а сукцинонитрил придаёт пластичность.

Оптимизированный электролит показал ионную проводимость 1,39 мСм/см при 30 градусах Цельсия, число переноса ионов натрия 0,58 и широкое окно электрохимической стабильности. Он также продемонстрировал высокую огнестойкость при прямом воздействии пламени и устойчивость к утечкам. В полных ячейках электролит формировал стабильную границу раздела с катодом, подавляя побочные реакции и нерегулярный рост натрия.

В испытаниях полная ячейка с оптимизированным PDES показала начальную разрядную ёмкость 110,2 мА·ч/г при скорости 0,1 C и почти 99% кулоновской эффективности - доли заряда, реально используемого в цикле. После 1000 циклов при скорости 2 C сохранилось 90,4% ёмкости. Кроме того, учёные изготовили мягкий элемент питания, который продолжал питать светодиод даже после складывания и разрезания, что подтверждает безопасность и механическую прочность.

"Наш дизайн электролита для натрий-металлических батарей может привести к созданию более безопасных, дешёвых и устойчивых аккумуляторов, - отметил Пак. - В будущем такие батареи могли бы поддерживать хранение возобновляемой энергии на уровне электросетей, резервное питание и недорогие перезаряжаемые системы".

Ограничение работы в том, что это лабораторный прототип, а не готовый продукт: до коммерческого производства ещё далеко. Тем не менее предложенный подход сочетает эффективный перенос ионов натрия с повышенной безопасностью, устойчивостью к утечкам и стабильностью границы раздела, что делает его перспективным для практических натрий-металлических аккумуляторов.

Источник: Tech Xplore