新加坡国立大学开发出石墨氮化碳添加剂打造更安全的全固态钠电池

盖世汽车讯 目前，锂离子电池在大型储能市场占据主导地位。然而，锂元素全球分布不均，而且成本不断上涨，促使人们寻求替代方案。钠在地壳中的含量大约是锂的1000倍，并且可以从海水中提取，这使得钠离子电池成为电网级储能的理想选择。在电网级储能中，成本和供应安全至关重要。

而安全性一直是钠离子电池发展的障碍。大多数钠离子电池依赖于易燃且易泄漏的液态电解质，这给大规模使用带来了风险。固态聚合物电解质可以消除这些隐患，但其钠离子传导速度过慢，并且与钠金属负极的接触不稳定。随着时间的推移，会形成被称为“枝晶”的针状金属生长物，这些枝晶会穿透聚合物，导致电池短路，进而引发热失控。

据外媒报道，新加坡国立大学设计与工程学院(College of Design and Engineering，CDE)机械工程系副教授Palani Balaya领导的团队，利用一种低成本的单一添加剂，成功攻克了上述挑战。这一突破为实现安全、经济的全固态钠电池开辟了一条可扩展的途径，其应用范围涵盖电网级储能到电动汽车等领域。相关研究成果发表于期刊《Advanced Functional Materials》。

简单的添加剂，结构性的改变

研究团队使用了一种名为石墨氮化碳的添加剂，GCN是一种富氮材料，只需将尿素在空气中加热至550摄氏度即可合成。所合成的薄片仅有两纳米厚。当将其添加到由聚环氧乙烷和钠盐制成的聚合物电解质薄膜中时，GCN会从两方面重塑聚合物的内部结构。

片状、高比表面积的GCN会破坏聚合物形成刚性晶体区域的倾向，从而促进形成柔性、无序的区域，使钠离子能够更自由地移动。此外，GCN表面的富氮活性位点会将钠离子从其对应的钠盐中拉开，从而释放出更多的离子来携带电荷。这种综合效应使电解质在55摄氏度下的离子电导率提高了一倍以上，并将迁移数从0.19提高到0.51，从而降低了极化并提高了电池效率。