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目前，锂离子电池在大型储能市场占据主导地位。然而，锂元素全球分布不均，而且成本不断上涨，促使人们寻求替代方案。钠在地壳中的含量大约是锂的1000倍，并且可以从海水中提取，这使得钠离子电池成为电网级储能的理想选择。在电网级储能中，成本和供应安全至关重要。
而安全性一直是钠离子电池发展的障碍。大多数钠离子电池依赖于易燃且易泄漏的液态电解质，这给大规模使用带来了风险。固态聚合物电解质可以消除这些隐患，但其钠离子传导速度过慢，并且与钠金属负极的接触不稳定。随着时间的推移，会形成被称为“枝晶”的针状金属生长物，这些枝晶会穿透聚合物，导致电池短路，进而引发热失控。
据外媒报道，新加坡国立大学(National University of Singapore，NUS)设计与工程学院(College of Design and Engineering，CDE)机械工程系副教授Palani Balaya领导的团队，利用一种低成本的单一添加剂，成功攻克了上述挑战。这一突破为实现安全、经济的全固态钠电池开辟了一条可扩展的途径，其应用范围涵盖电网级储能到电动汽车等领域。相关研究成果发表于期刊《Advanced Functional Materials》。
简单的添加剂，结构性的改变
研究团队使用了一种名为石墨氮化碳(GCN)的添加剂，GCN是一种富氮材料，只需将尿素在空气中加热至550摄氏度即可合成。所合成的薄片仅有两纳米厚。当将其添加到由聚环氧乙烷和钠盐制成的聚合物电解质薄膜中时，GCN会从两方面重塑聚合物的内部结构。
片状、高比表面积的GCN会破坏聚合物形成刚性晶体区域的倾向，从而促进形成柔性、无序的区域，使钠离子能够更自由地移动。此外，GCN表面的富氮活性位点会将钠离子从其对应的钠盐中拉开，从而释放出更多的离子来携带电荷。这种综合效应使电解质在55摄氏度下的离子电导率提高了一倍以上，并将迁移数(钠离子携带电流的比例)从0.19提高到0.51，从而降低了极化并提高了电池效率。
Balaya副教授表示：“该方法的优势在于它的简便性。GCN可以由世界上分布最广的化学前体之一制成，并可整合到已经具备规模化生产的聚合物体系中。这种性能与实用性的结合，有望推动该技术快速投入实际应用。”
抑制枝晶，稳定表面
GCN添加剂还能改变电解质与钠金属电极之间的关键界面。反复充放电会导致负极表面钠沉积不均匀，最终形成枝晶。该团队研发的GCN增强型电解质从两方面解决了这个问题。首先，这种复合聚合物的强度是未改性聚合物的三倍，具有足够的机械刚度来物理阻止枝晶穿透。
其次，该添加剂还能促进电极表面形成一层富含无机物的钠基保护层，引导钠均匀沉积，并抑制导致传统聚合物电解质降解的副反应。
在0.1mA cm⁻²的电流密度下，未改性聚合物电解质在250小时内发生短路。而添加GCN的复合电解质在相同电流密度下稳定运行了1000小时，并在更高的0.2 mA cm⁻²电流密度下运行超过2000小时，未出现任何故障。
技术应用
为了评估该复合电解质在功能电池中的性能，研究团队组装了全固态电池，该电池采用碳包覆的锌掺杂磷酸钒钠阴极和钠金属阳极。在0.5C的充放电倍率下，该电池在500次循环后仍保持95%的容量，库仑效率约为99.97%。它还能承受高达2C的倍率，并在恢复到较低倍率后恢复99%的容量。电池的充放电速度以“C倍率(C-rate)”衡量，数值越高，充电速度越快：1C倍率可在1小时内充满电，而2C倍率则只需一半的时间即可完成充电。
为了测试其在实际应用中的可行性，研究人员构建了一个单层软包电池，该电池在折叠、展开甚至切割过程中都能为发光二极管供电。持续照明且未发生短路事件，证实该电池具备商业应用所需的安全性。
这款全固态系统是NUS CDE持续拓展的钠离子电池研究项目的最新成果。
与此同时，研究人员还开发出一种不可燃液态电解质，可承受60秒的直接火焰接触，并在高达270摄氏度的温度下保持稳定；此外，他们还开发出一种阻燃电解质以及一种耐湿层状氧化物阴极，解决了钠电池行业面临的最棘手的制造难题之一。
基于这些最新突破，该团队正在优化固态钠离子电池，使其能够在接近室温的条件下稳定运行，目标是在45摄氏度下实现稳定的性能阈值。通过利用先进的混合陶瓷-聚合物电解质和新型配方(这些配方既是结构框架又是活性传输介质)，该团队旨在消除对高强度热管理的需求。
与此同时，研究人员正在开发一种双极全固态架构——一种堆叠式设计，通过最大限度地减少冗余封装和系统重量，显著提高能量密度。
浙公网安备 33010602000006号
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