新加坡國立大學研發低成本添加劑提升鈉離子電池安全性與性能

新加坡國立大學的研究人員開發出一種更安全的固態鈉電池，利用低成本的添加劑來改善離子運動，並阻止電池內部危險金屬的增長。這一突破針對鈉離子電池面臨的最大挑戰之一：安全性。雖然鈉的成本低於鋰，且資源更為豐富，但大多數鈉電池仍依賴易燃的液體電解質，這些電解質可能會泄漏或著火。固態聚合物電解質被認為是更安全的替代品，但通常存在導電性差和與鈉金屬電極接觸不穩定的問題。

隨著時間的推移，針狀金屬結構的樹枝晶會在電池內部生長，最終引發短路。

NUS 團隊利用石墨氮化碳（GCN）來解決這兩個問題，該材料是通過在 550 攝氏度下加熱尿素製成的。研究人員將該添加劑混入由聚乙烯氧化物和鈉鹽製成的聚合物電解質薄膜中。研究人員表示，超薄的 GCN 薄片重新組織了聚合物結構，幫助鈉離子更自由地移動，同時提高了電池內部的機械強度。

新型固態鈉電池顯著提升安全性和性能

經過改進的電解質在 55 攝氏度下的離子導電率提高了兩倍以上，並顯著改善了鈉離子的轉移數，從 0.19 提高至 0.51。研究團隊指出，GCN 表面的富氮位點有助於將鈉離子與其鹽對分離，增加了運行期間可用的帶電離子數量。「我們的方法之所以強大，正是因為其簡單性，」NUS 副教授 Palani Balaya 表示。「GCN 可以由世界上最常見的化學前驅物之一製成，並可融入已經可擴展的聚合物系統中。」

該添加劑還幫助解決了鈉金屬電池中的另一個主要問題：樹枝晶的形成。反覆充放電通常會導致電極表面鈉的不均勻堆積，最終產生刺穿電解質並破壞電池的樹枝晶。根據研究人員的説法，經過 GCN 增強的聚合物強度是未經改進版本的三倍，使其能夠物理抵抗樹枝晶的穿透。此外，它在鈉金屬表面形成了更穩定的保護層，有助於引導均勻的鈉沉積。

在測試中，標準的聚合物電解質在 0.1 mA cm^-2 的電流密度下 250 小時內失效，而改進版本在相同條件下穩定運行了 1,000 小時，並在更高的電流密度 0.2 mA cm^-2 下無故障地超過 2,000 小時。研究團隊還使用鈉釩磷酸鹽陰極和鈉金屬陽極構建了全固態鈉電池單元。在 0.5C 充放電速率下，電池在 500 個循環後仍保留 95% 的容量，同時保持約 99.97% 的庫倫效率。

研究人員還展示了一種袋式電池，即使在折疊、展開和剪切的情況下仍能繼續供電給 LED，顯示出改善的安全性和機械穩定性。

團隊表示，現在正在開發能夠在更接近室温下高效運行的鈉電池，同時還在研發旨在提高能量密度的雙極堆疊架構。該研究發表在《先進功能材料》期刊上。