Natrijeva baterija postiže nevjerojatno brzo punjenje

Natrij-metalne baterije ili SMB-ovi, oblik su ultrabrzih, stabilnih baterija za koje znanstvenici kažu da bi jednog dana mogle biti jeftina alternativa današnjim litij-ionskim (Li-ion) baterijama, koje se oslanjaju na rijetke metale i lako se zapale. SMB-ovi se također razlikuju od natrij-ionskih (Na-ion) baterija po tome što koriste metalnu natrijevu anodu umjesto grafitne ili tvrde ugljične anode. 

Međutim, SMB-ovi ostaju uglavnom teorijski jer su skloni vrsti degradacije poznatoj kao stvaranje dendrita. To se događa kada se natrijevi ioni koji prolaze kroz elektrodu talože na visoko reaktivnoj, čistometalnoj natrijevoj anodi u šiljastim strukturama sličnim stalagmitu. Tijekom vremena to stvara most između katode i anode, uzrokujući kratki spoj baterije. 

Stvaranje dendrita posebno je često u natrijevim baterijama jer je natrij vrlo reaktivni metal. Kada punjenje prolazi kroz litij-ionsku, natrij-ionsku ili natrij-metalnu bateriju, anoda uvijek reagira s elektrolitom i stvara oksidni sloj poznat kao SEI. Obično je debeo 10 do 50 nanometara i općenito bezopasan. Ali kod natrija, SEI često puca, stvarajući izbočine koje privlače natrijeve ione, koji se nakupljaju u dendrite. 

Kineski istraživači Zhang Y., Pan L., Qi X. i njihovi kolege s nekoliko znanstvenih instituta i sveučilišta, sada kažu da su riješili ovaj problem korištenjem čvrstog, kvazi-krutog gel elektrolita, nazvanog Sn-FB QSE, koji jača bateriju od probijanja i pruža polukrutu unutarnju strukturu koja sprječava stvaranje dendrita. Svoje nalaze iznijeli su u studiji objavljenoj 21. svibnja u časopisu Nano-Micro Letters. 

Kako bi potvrdili dugovječnost ovog pristupa, znanstvenici su punili i praznili bateriju više od 6000 sati bez kratkog spoja dendrita. Također su primijetili da je, kada su bateriju napunili od nule do 100% kapaciteta za samo četiri minute, zadržala električni naboj od 80,1, mjeren u miliamper-satima po gramu (mAh g –1 ). To je ekvivalent otprilike polovice onoga što se zadržava u litij-ionskim baterijama. 

Kada se punila nešto sporijom brzinom od nule do 100% za 20 minuta, baterija je zadržala 90% svog kapaciteta napunjenosti tijekom 2000 ciklusa, što odgovara teorijskim ograničenjima za litij-ionske baterije, rekli su znanstvenici u studiji. Ova sporija brzina smanjila je troškove i poboljšala sigurnost. 

Ovo je značajno jer su znanstvenici to postigli u novoj bateriji, a istovremeno su je punili brže nego što se mogu puniti litij-ionske baterije. To je relevantno jer brzina punjenja ostaje kamen spoticanja za primjenu baterija u električnim vozilima. Najbrže električno vozilo koje se danas puni je BYD Denza, za koje kineski proizvođač automobila tvrdi da može dosegnuti 10-70% za samo pet minuta. Ali to zahtijeva visoko specijalizirane punjače od 1 MW. 

Većina električnih vozila puni se puno sporije, predstavnici Tesle kažu da se njihov Model 3 može napuniti od 10 do 70% za otprilike 15 minuta koristeći Tesline vlastite punjače od 250 kW. 

Većina baterija koje se koriste za moderne tehnologije, poput pametnih telefona i električnih vozila, su litij-ionske. Međutim, proizvodnja litij-ionskih baterija je skupa jer sadrže teško dostupne metale litij i kobalt, te su sklone zapaljenju. 

Budući da SMB koriste natrijevu anodu, za razliku od Na-ionskih baterija koje koriste grafitnu ili tvrdu ugljičnu anodu, lakše su i jeftinije za proizvodnju te su stoga mnogo usporedivije s Li-ionskim baterijama u smislu veličine i težine. Također su sigurnije jer rade koristeći natrijeve ione, koji su glomazni i ne mogu dovoljno brzo dospjeti do pukotina u stijenci baterije da bi izazvali 'toplinski bijeg', odnosno samoodrživu lančanu reakciju koja uzrokuje paljenje baterija kada su oštećene. 

Znanstvenici su rekli da bi, ako se problemi formiranja dendrita i stabilnosti na nižim temperaturama mogu riješiti, replicirati i skalirati, mala i srednja poduzeća (SMB) mogla preoblikovati ekonomiju primjene baterija tijekom sljedećeg desetljeća. 

Znanstvenici vjeruju da bi mala i srednja poduzeća mogla biti izvrstan izbor za električna vozila u javnom prijevozu ili u automobilima za putovanje na posao, jer iako imaju manji domet od vozila s Na-ionskim i Li-ionskim baterijama, brže se pune. Međutim, neće biti dostupni neko vrijeme, ni u vozilima ni u manjim uređajima poput potrošačke elektronike. 

To je zato što su uređaji poput pametnih telefona podložni velikim temperaturnim promjenama koje utječu na unutarnju kemiju baterija koje se oslanjaju na gel elektrolite.