Instytut Bioenergii i Badań Procesowych w Qingdao (QIBEP) dokonuje szeregu postępów w dziedzinie tanich i bezpiecznych akumulatorów sodowo-jonowych

W chińskim „14. planie pięcioletnim” i „Wytycznych w sprawie przyspieszenia rozwoju nowych magazynów energii” proponuje się przyspieszenie badań i rozwoju akumulatorów sodowo-jonowych oraz innych technologii, a także przeprowadzenie na dużą skalę pokazy eksperymentalne. To w pełni pokazuje, że badania i rozwój technologii akumulatorów sodowo-jonowych stały się strategią krajową. W porównaniu z niedoborem zasobów litu, sodu w obfitych rezerwach Chin, cena jest tańsza, więc bateria sodowo-jonowa w dziedzinie magazynowania energii na dużą skalę ma szerokie perspektywy zastosowania. Jednak obecne uprzemysłowienie akumulatorów sodowo-jonowych nadal wiąże się z mniejszą gęstością energii, krótszym cyklem życia i innymi problemami, poważnie ograniczającymi dalsze zastosowanie.
Centrum Technologii Systemów Energetycznych Półprzewodnikowych, kierowane przez badacza Cui Guanglei z Instytutu Energii Qingdao Chińskiej Akademii Nauk, rozpoczęło opracowywanie baterii sodowo-jonowej w 2011 r., biorąc pod uwagę krajowe potrzeby strategiczne i ogólnie podstawowe zagadnienia naukowe, w oparciu o w nowatorski sposób, w unikalny sposób opracowując szereg kluczowych materiałów do akumulatorów sodowo-jonowych i kluczowych technologii elektrolitów, a w ostatnich latach osiągnął szereg ważnych wyników, kładąc podwaliny badawcze pod rozwój industrializacji akumulatorów sodowo-jonowych . W 2015 roku centrum technologiczne opracowało porowaty kolektor grafitowy i odpowiednią technologię wstępnego sodowania poprzez perforację laserową folii poliimidowo-grafitowej, co znacznie obniżyło koszty i poprawiło gęstość energii akumulatorów sodowo-jonowych (Electrochemistry Communications 2015, 61, {{9} }; Journal of Power Sources 2015, 297, 457-463; ZL201510242864.9).W 2016 roku opracowano i opatentowano elektrolity polimerowe na bazie poliakrylanów o wysokiej przewodności jonowej metodą zestalania in-situ (ZL201610150608.1; ZL2016112243.1 ). ZL201611224300.3), co poprawiło wydajność transportu jonów międzyfazowych pomiędzy elektrolitem w stanie stałym a materiałem elektrody, powodując znaczny wzrost wydajności krotności akumulatorów sodowych. W 2019 r. polimer w stanie stałym kopolimer eteru metylowinylowego i bezwodnika maleinowego skonstruowano akumulator sodowy, a zmontowane akumulatory sodowe w miękkim opakowaniu mogą nadal bezpiecznie pracować w trudnych warunkach zginania lub cięcia naroży, bez ryzyka wycieku lub pożaru. Nie występuje żaden wyciek cieczy ani ryzyko pożaru (Nano Res. 2019, 12, 2230-2237; ZL201911259343.9; ZL201911357076.9). 2022, w celu dalszej poprawy bezpieczeństwa elektrolitu, centrum technologiczne zaprojektowało i opracowało nową, trudnopalną formułę estrów fosforanowych, która uwzględnia stabilność wysokiego napięcia. W 2022 roku, w celu dalszej poprawy bezpieczeństwa elektrolitów, ośrodek zaprojektował i opracował nową formułę uniepalniacza na bazie estrów fosforanowych o wysokiej stabilności napięciowej (ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 15, 17444-17453) oraz iskrobezpieczny, ekologiczny i tani elektrolit wodny (ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29, 33041-33051; ZL202011357076.9). -33051; ZL202011071670.4; ZL202111281780,8).
W ostatnim czasie Centrum Technologii Solid State Energy Systems poczyniło znaczny postęp w dziedzinie tanich akumulatorów sodowo-jonowych, a wyniki badań zostały opublikowane w międzynarodowych autorytatywnych czasopismach Angew. Chem. Wewnętrzne Wyd., Adw. Mater Energii. i Magazynowanie Energii. (ryc. 1). W odpowiedzi na problemy wytrącania się wodoru i rozpuszczania jonów metali na elektrodzie spowodowane przez cząsteczki wolnej wody w tradycyjnym wodnym elektrolicie, zespół badawczy otrzymał nowy układ elektrolitu polimerowego o ultrawysokim stężeniu do akumulatorów sodowo-jonowych poprzez regulację wiązań wodorowych przez metylacja i stabilność cykliczna akumulatorów sodowych osiągnęły przełomową poprawę (Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311589). Jednocześnie zespół badawczy odkrył, że NaH w metalicznej anodzie sodowej SEI jest głównym czynnikiem wpływającym na wydajność akumulatora, co stanowi ważny mechanizm prowadzący do awarii akumulatorów sodowych, oraz że NaH powstaje w wyniku spontanicznej reakcji pomiędzy wodorem wytwarzanym w cyklu akumulatorowym a osadzonym metalicznym sodem (Energy Storage Mater. 2023, 61, 102891). Zespół badawczy podsumowuje następnie podstawowe zasady i postęp badań nad obecnymi elektrolitami do akumulatorów sodowo-jonowych i oczekuje przyszłego rozwoju elektrolitów (Adv. Energy Mater. 2023, 2301758).

Rys. 1 Postęp badań podstawowych nad akumulatorami sodowo-jonowymi w Centrum Technologii Systemów Energetycznych Półprzewodnikowych.
W oparciu o powyższe podstawy badawcze i akumulację technologii, po ponad dziesięciu latach wysiłków, Centrum Technologii Systemów Energetyki Półprzewodnikowej kierowane przez badacza Guanglei Cui z powodzeniem opracowało tani, bezpieczny i wydajny półprzewodnikowy półprzewodnikowo-jonowy baterie. Opracowywany obecnie półprzewodnikowy akumulator sodowo-jonowy ma gęstość energii ponad 140 Wh/kg w rdzeniu elektrycznym i gęstość energii właściwej ponad 110 Wh/kg w module akumulatora; charakteryzuje się bardzo wysokim poziomem bezpieczeństwa, który może przejść test nakłucia szpilką bez dymu, spalania lub eksplozji, i został zrealizowany w demonstracyjnym zastosowaniu dwukołowych pojazdów elektrycznych (rysunek 2). W przyszłości zespół będzie nadal opracowywał kluczowe materiały i podstawowe technologie na potrzeby akumulatorów sodowo-jonowych, aby sprostać potrzebom rynku zgodnie z różnymi scenariuszami zastosowań, koncentrując się na pojazdach elektrycznych o małej prędkości, pojazdach nowej energii, systemach zasilania 48 V, domowych magazynowanie energii i inne dziedziny.