Циндаоский институт биоэнергетики и технологических исследований (QIBEP) добился ряда успехов в области недорогих и надежных натрий-ионных батарей

В «14-м пятилетнем плане» и «Руководящих заключениях по ускорению развития новых систем хранения энергии» Китая предлагается ускорить исследования и разработки натрий-ионных батарей и других технологий, а также провести крупномасштабные исследования. экспериментальные демонстрации. Это в полной мере демонстрирует, что исследования и разработки в области технологий натрий-ионных аккумуляторов стали национальной стратегией. По сравнению с нехваткой литиевых ресурсов, натрий в обильных запасах Китая дешевле, поэтому натрий-ионная батарея в области крупномасштабного хранения энергии имеет широкие перспективы применения. Однако текущая индустриализация натрий-ионных батарей все еще существует в процессе более низкой плотности энергии, более короткого срока службы и других проблем, серьезно ограничивающих дальнейшее применение.
Центр технологий твердотельных энергетических систем, возглавляемый исследователем Цуй Гуанглеем из Института энергетики Циндао Китайской академии наук, в 2011 году приступил к разработке натрий-ионной батареи в сочетании с национальными стратегическими потребностями и фундаментальными научными проблемами в целом, основываясь на на переднем крае, уникальный способ разработки ряда ключевых материалов для натрий-ионных аккумуляторов и ключевых технологий электролита, а в последние годы добился ряда важных результатов, заложив исследовательскую основу для развития индустриализации натрий-ионных батарей. . В 2015 году в технологическом центре разработан коллектор из пористого графита и соответствующая технология предварительного натриирования путем лазерной перфорации полиимидно-графитовой пленки, что позволило существенно снизить стоимость и повысить плотность энергии натрий-ионных аккумуляторов (Электрохимические коммуникации 2015, 61, {{9} }; Journal of Power Sources 2015, 297, 457-463; ZL201510242864.9).В 2016 году были разработаны и запатентованы полимерные электролиты на основе полиакрилата с высокой ионной проводимостью методом отверждения in-situ (ZL201610150608.1; ZL2016112243.1). ). ZL201611224300.3), что улучшило характеристики межфазного ионного транспорта между твердотельным электролитом и материалом электрода, что привело к значительному увеличению кратности работы натриевых батарей. В 2019 году твердотельный полимер сополимера метилвинилового эфира и малеинового ангидрида была сконструирована натриевая батарея, и собранные натриевые батареи в мягкой упаковке по-прежнему могут безопасно работать в суровых условиях изгиба или резки углов, без утечек или опасности возгорания. Утечки жидкости или опасности возгорания не происходит (Nano Res. 2019, 12, 2230-2237; ZL201911259343.9; ZL201911357076.9). В 2022 году в целях дальнейшего повышения безопасности электролита технологический центр спроектировал и разработал новую формулу огнестойкого эфира фосфорной кислоты, учитывающую стабильность высокого напряжения. В 2022 году в целях дальнейшего повышения безопасности электролитов центр спроектировал и разработал новую огнестойкую формулу на основе фосфатных эфиров с высокой стабильностью напряжения (ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 15, 17444-17453) и искробезопасный, экологически чистый и недорогой водный электролит (ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29, 33041-33051; ZL202011357076.9). -33051; ЗЛ202011071670.4; ЗЛ202111281780.8).
За последнее время Технологический центр твердотельных энергетических систем добился значительных успехов в области недорогих натрий-ионных аккумуляторов, а результаты исследований были опубликованы в международных авторитетных журналах Angew. хим. Межд. Ред., Адв. Энергетическая Материя. и Материя по хранению энергии. (Рисунок 1). В ответ на проблемы осаждения водорода и растворения ионов электродных металлов, вызванные свободными молекулами воды в традиционном водном электролите, исследовательская группа получила новую систему полимерного электролита сверхвысокой концентрации для натрий-ионных аккумуляторов посредством регулирования водородных связей с помощью метилирование и циклическая стабильность натриевых батарей достигли революционного улучшения (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311589). В то же время исследовательская группа обнаружила, что NaH в металлическом натриевом аноде SEI является основным фактором, влияющим на производительность батареи, что является важным механизмом, приводящим к выходу из строя натриевых батарей, и что NaH генерируется в результате спонтанной реакции. между водородом, образующимся в аккумуляторном цикле, и осажденным металлическим натрием (Energy Storage Mater. 2023, 61, 102891). Исследовательская группа далее обобщает фундаментальные принципы и прогресс исследований существующих электролитов для натрий-ионных аккумуляторов и надеется на будущее развитие электролитов (Adv. Energy Mater. 2023, 2301758).

Рис. 1. Ход фундаментальных исследований по натрий-ионным батареям в Технологическом центре твердотельных энергетических систем.
Основываясь на вышеуказанных исследованиях и накоплении технологий, после более чем десяти лет усилий Технологический центр твердотельных энергетических систем под руководством исследователя Гуанглея Цуй успешно разработал недорогие, высокобезопасные и высокопроизводительные твердотельные натрий-ионные системы. батареи. Разрабатываемая в настоящее время твердотельная натрий-ионная батарея имеет плотность энергии более 140 Втч/кг в электрическом сердечнике и удельную плотность энергии более 110 Втч/кг в аккумуляторном модуле; он обладает сверхвысокой безопасностью, которая может пройти испытание на укол без дыма, возгорания или взрыва, и был реализован при демонстрационном применении двухколесных электромобилей (рис. 2). В будущем команда продолжит разработку ключевых материалов и основных технологий для натрий-ионных аккумуляторов для удовлетворения потребностей рынка в соответствии с различными сценариями применения, уделяя особое внимание тихоходным электромобилям, новым энергетическим автомобилям, системам электропитания 48 В, домашнему хозяйству. накопление энергии и другие области.