新加坡國立大學開發出石墨氮化碳添加劑打造更安全的全固態鈉電池

2026-06-09 11:32:35來源：蓋世汽車關鍵詞：鋰離子電池儲能閱讀量：24111

導讀：新加坡國立大學設計與工程學院機械工程系副教授Palani Balaya領導的團隊，利用一種低成本的單一添加劑，成功攻克了鈉離子電池發展安全性的障礙。這一突破為實現安全、經濟的全固態鈉電池開辟了一條可擴展的途徑，其應用范圍涵蓋電網級儲能到電動汽車等領域。

　　目前，鋰離子電池在大型儲能市場占據主導地位。然而，鋰元素全球分布不均，而且成本不斷上漲，促使人們尋求替代方案。鈉在地殼中的含量大約是鋰的1000倍，并且可以從海水中提取，這使得鈉離子電池成為電網級儲能的理想選擇。在電網級儲能中，成本和供應安全至關重要。

　　而安全性一直是鈉離子電池發展的障礙。大多數鈉離子電池依賴于易燃且易泄漏的液態電解質，這給大規模使用帶來了風險。固態聚合物電解質可以消除這些隱患，但其鈉離子傳導速度過慢，并且與鈉金屬負極的接觸不穩定。隨著時間的推移，會形成被稱為“枝晶”的針狀金屬生長物，這些枝晶會穿透聚合物，導致電池短路，進而引發熱失控。

　　據外媒報道，新加坡國立大學(National University of Singapore，NUS)設計與工程學院(College of Design and Engineering，CDE)機械工程系副教授Palani Balaya領導的團隊，利用一種低成本的單一添加劑，成功攻克了上述挑戰。這一突破為實現安全、經濟的全固態鈉電池開辟了一條可擴展的途徑，其應用范圍涵蓋電網級儲能到電動汽車等領域。相關研究成果發表于期刊《Advanced Functional Materials》。

　　簡單的添加劑，結構性的改變

　　研究團隊使用了一種名為石墨氮化碳(GCN)的添加劑，GCN是一種富氮材料，只需將尿素在空氣中加熱至550攝氏度即可合成。所合成的薄片僅有兩納米厚。當將其添加到由聚環氧乙烷和鈉鹽制成的聚合物電解質薄膜中時，GCN會從兩方面重塑聚合物的內部結構。

　　片狀、高比表面積的GCN會破壞聚合物形成剛性晶體區域的傾向，從而促進形成柔性、無序的區域，使鈉離子能夠更自由地移動。此外，GCN表面的富氮活性位點會將鈉離子從其對應的鈉鹽中拉開，從而釋放出更多的離子來攜帶電荷。這種綜合效應使電解質在55攝氏度下的離子電導率提高了一倍以上，并將遷移數(鈉離子攜帶電流的比例)從0.19提高到0.51，從而降低了極化并提高了電池效率。

　　Balaya副教授表示：“該方法的優勢在于它的簡便性。GCN可以由世界上分布最廣的化學前體之一制成，并可整合到已經具備規模化生產的聚合物體系中。這種性能與實用性的結合，有望推動該技術快速投入實際應用。”

　　抑制枝晶，穩定表面

　　GCN添加劑還能改變電解質與鈉金屬電極之間的關鍵界面。反復充放電會導致負極表面鈉沉積不均勻，最終形成枝晶。該團隊研發的GCN增強型電解質從兩方面解決了這個問題。首先，這種復合聚合物的強度是未改性聚合物的三倍，具有足夠的機械剛度來物理阻止枝晶穿透。

　　其次，該添加劑還能促進電極表面形成一層富含無機物的鈉基保護層，引導鈉均勻沉積，并抑制導致傳統聚合物電解質降解的副反應。

　　在0.1mA cm?²的電流密度下，未改性聚合物電解質在250小時內發生短路。而添加GCN的復合電解質在相同電流密度下穩定運行了1000小時，并在更高的0.2 mA cm?²電流密度下運行超過2000小時，未出現任何故障。

　　技術應用

　　為了評估該復合電解質在功能電池中的性能，研究團隊組裝了全固態電池，該電池采用碳包覆的鋅摻雜磷酸釩鈉陰極和鈉金屬陽極。在0.5C的充放電倍率下，該電池在500次循環后仍保持95%的容量，庫侖效率約為99.97%。它還能承受高達2C的倍率，并在恢復到較低倍率后恢復99%的容量。電池的充放電速度以“C倍率(C-rate)”衡量，數值越高，充電速度越快：1C倍率可在1小時內充滿電，而2C倍率則只需一半的時間即可完成充電。

　　為了測試其在實際應用中的可行性，研究人員構建了一個單層軟包電池，該電池在折疊、展開甚至切割過程中都能為發光二極管供電。持續照明且未發生短路事件，證實該電池具備商業應用所需的安全性。

　　這款全固態系統是NUS CDE持續拓展的鈉離子電池研究項目的最新成果。

　　與此同時，研究人員還開發出一種不可燃液態電解質，可承受60秒的直接火焰接觸，并在高達270攝氏度的溫度下保持穩定；此外，他們還開發出一種阻燃電解質以及一種耐濕層狀氧化物陰極，解決了鈉電池行業面臨的最棘手的制造難題之一。

　　基于這些最新突破，該團隊正在優化固態鈉離子電池，使其能夠在接近室溫的條件下穩定運行，目標是在45攝氏度下實現穩定的性能閾值。通過利用先進的混合陶瓷-聚合物電解質和新型配方(這些配方既是結構框架又是活性傳輸介質)，該團隊旨在消除對高強度熱管理的需求。

　　與此同時，研究人員正在開發一種雙極全固態架構——一種堆疊式設計，通過最大限度地減少冗余封裝和系統重量，顯著提高能量密度。

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