Sørkoreanske forskere har utviklet en polymerelektrolytt som kan bidra til å løse flere av sikkerhets- og holdbarhetsproblemene i natriummetallbatterier. Elektrolytten hadde en ion ledningsevne på 1,39 mS/cm ved 30 grader celsius, mens overføringstallet for natriumioner var 0,58.

Arbeidet ble ledet av professor Chan Jin Park ved Chonnam National University. Forskergruppen brukte en polymeriserbar dyp-eutektisk løsemiddelektrolytt, kalt PDES, med mål om å forbedre transporten av natriumioner og samtidig redusere stabilitets- og sikkerhetsproblemene som har begrenset praktisk bruk av natriummetallbatterier.

Skal hindre dendritter og lekkasje

Natriummetallbatterier regnes som et mulig alternativ til litiumionebatterier fordi natrium er lett tilgjengelig og forholdsvis billig. Samtidig er natriummetall svært reaktivt. Kontakt med tradisjonelle flytende elektrolytter kan føre til uønskede kjemiske reaksjoner og ujevne metallavleiringer, såkalte dendritter.

Dendritter kan skade batteriet og øke risikoen for kortslutning. Forskerne utviklet derfor en elektrolytt som kombinerer effektiv ionetransport med en mer stabil, faststofflignende struktur.

PDES-elektrolytten består av natriumperklorat (NaClO4), N-isopropylakrylamid (NIPAM) og succinonitril (SN). Stoffene danner sammen et dyp-eutektisk løsemiddel, en flytende blanding der bestanddelene blant annet påvirker hverandre gjennom hydrogenbindinger og ion–dipol-interaksjoner.

Deretter brukte forskerne in situ-polymerisering for å omdanne blandingen til en mer robust polymermatrise. Prosessen skal hindre elektrolyttlekkasje, samtidig som materialet beholder egenskapene som trengs for transport av natriumioner.

Bestanddelene har ulike roller. Natriumperklorat tilfører natriumioner, NIPAM bidrar til å separere ionene og danner polymerstrukturen, mens succinonitril gjør blandingen mer elastisk og bidrar ytterligere til å dissosiere ionene.

Beholdt 90,4 prosent etter 1000 sykluser

I den optimaliserte elektrolytten var ion ledningsevnen 1,39 mS/cm ved 30 grader celsius. Overføringstallet for natriumioner var 0,58, noe som betyr at natriumionene sto for en betydelig del av den elektriske ladningen som ble transportert gjennom elektrolytten.

I tester av et komplett batteri bidro elektrolytten til å danne et stabilt grensesnitt mellom elektroden og elektrolytten. Det reduserte uønskede side­reaksjoner og uregelmessig vekst av natrium under gjentatt lading og utlading.

Den opprinnelige utladingskapasiteten var 110,2 mAh/g ved 0,1C, mens den coulombske effektiviteten var nær 99 prosent. Det viktigste resultatet kom fra langtidsforsøket: Etter 1000 sykluser ved 2C hadde batteriet beholdt 90,4 prosent av kapasiteten.

Forskerne undersøkte også elektrolyttens sikkerhet og mekaniske egenskaper. Når materialet ble utsatt for flamme, viste det motstand mot antenning, og bruken av det reduserte risikoen for lekkasje.

I en demonstrasjon med en såkalt pouch-celle fortsatte batteriet å drive en lysdiode etter at det var brettet og skåret over. Forsøket tyder på at elektrolytten har mekanisk styrke, men viser ikke i seg selv at teknologien er klar for omfattende kommersiell bruk.

Trenger større tester

Resultatene tyder på at polymerelektrolytten kan bidra til å overvinne noen av begrensningene knyttet til holdbarhet og sikkerhet i natriummetallbatterier. Forskerne understreker samtidig at teknologien må testes videre i større battericeller og under reelle driftsforhold før det praktiske potensialet kan vurderes.

Studien, med tittelen «Noncovalent interaction-regulated polymerizable deep eutectic solvent electrolyte for sodium metal batteries», er publisert i tidsskriftet Energy Storage Materials.