Günstige Additive steigern Lebensdauer von Natrium-Ionen-Akkus auf über 2.000 Stunden

Diese bergen Risiken durch Auslaufen oder Brandgefahr. Als sicherere Alternative gelten Festpolymerelektrolyte, die jedoch typischerweise unter schlechter Ionenleitfähigkeit und einem instabilen Kontakt mit Natrium-Metall-Elektroden leiden.

Im Laufe des Betriebs bilden sich an den Elektroden Dendriten – nadelartige Metallstrukturen –, die schließlich zu internen Kurzschlüssen führen. Das Forschungsteam der NUS hat beide genannten Probleme mit graphitischem Kohlenstoffnitrid, kurz GCN, gelöst. Dieses Material wird durch das Erhitzen 550 Grad Celsius hergestellt und dient als Additiv.

Es wurde in eine Polymer-Elektrolyt-Folie aus Polyethylenoxid und Natriumsalz integriert. Die Forscher berichteten, dass die ultradünnen GCN-Blätter die Polymerstruktur neu organisieren. Dies ermöglicht es den Natriumionen, sich freier zu bewegen, während gleichzeitig die mechanische Festigkeit des Elektrolyten erhöht wird.

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Das kostengünstige Additiv bringt signifikante Leistungssteigerungen mit sich: Der modifizierte Elektrolyt verdoppelte die Ionenleitfähigkeit bei 55 °C mehr als das Zweifache und erhöhte die Natriumionen-Transfervzahl von 0,19 auf 0,51. Laut Associate Professor Palani Balaya Stellen auf der GCN-Oberfläche dazu bei, Natriumionen.

Dadurch steigt die Anzahl der verfügbaren Ladungsträgerionen während des Betriebs. „Was unseren Ansatz so leistungsfähig macht, ist seine Einfachheit", so Balaya. „GCN kann aus einem der weltweit am weitesten verbreiteten chemischen Ausgangsstoffe hergestellt und in ein Polymer-System integriert werden, das bereits skalierbar ist." Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt in der Unterdrückung Entladen führt normalerweise zu einer ungleichmäßigen Natriumansammlung auf der Elektrodenoberfläche, was das Wachstum ünstigt.

Diese können den Elektrolyten durchdringen und die Batterie zerstören. Die GCN-verstärkte Polymerfolie erwies sich im Test als dreimal so fest wie die unveränderte Version und konnte das physikalische Eindringen bildet das Additiv eine stabilere Schutzschicht auf der Oberfläche des Natriummetalls und unterstützt eine gleichmäßige Natriumabscheidung.

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Die Haltbarkeit der Batterien verbesserte sich drastisch. Während ein herkömmlicher Polymer-Elektrolyt unter einer Stromdichte von 0,1 mA cm⁻² innerhalb, arbeitete die modifizierte Version unter denselben Bedingungen stabil für 1.. Bei einer höheren Stromdichte von 0,2 mA cm⁻² überstieg die Zelle ohne Ausfall sogar die Marke von 2..

Das Team fertigte zudem vollständige Feststoff-Natrium-Batteriezellen mit einer Natriumvanadatphosphat-Kathode und einer Natrium-Metall-Anode an. Bei einem Lade-Entlade-Rate von 0,5C behielten diese Batterien nach 500 Zyklen 95 % ihrer ursprünglichen Kapazität bei und erreichten einen Coulomb-Wirkungsgrad 99,97 %.

Zusätzlich demonstrierte das Team eine Variante der Taschenzelle, die auch beim Falten, Aufrollen und Schneiden weiterhin eine LED versorgte. Dies unterstreicht die verbesserte Sicherheit sowie die mechanische Stabilität des neuen Designs.

Aktuell arbeitet das Team an der Entwicklung, die effizienter bei Temperaturen nahe Raumtemperatur betrieben werden können, und erarbeitet gleichzeitig bipolare Stapelarchitekturen, um die Energiedichte weiter zu erhöhen. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials" veröffentlicht.