הקלסרים בצפיפות גבוהה ששימשו לפיתוח אלקטרודות פחמן קשיחות במחקר שיפרו משמעותית את היציבות ויכולת הקצב של סוללות נתרן-יון, וסללו את הדרך למסחור שלהן. קרדיט: Noriyoshi Matsumi מ-JAIST
חוקרים שיפרו את הביצועים של אלקטרודות פחמן קשיח בסוללות נתרן-יון באמצעות חומר מקשר חדש בעל צפיפות גבוהה של חומצה פוליפומארית.
סוללות ליתיום-יון הן טכנולוגיה מובילה באחסון אנרגיה, אך הזמינות המוגבלת של הליתיום מציבה אתגרים. ככל שהביקוש למערכות אחסון אנרגיה עולה, ישנה דחיפה למציאת חומרים סבירים וזמינים לסוללות נטענות. סוללות נתרן-יון (SIBs) הופיעו כחלופה מבטיחה, תוך שימוש במשאבי הנתרן השופעים המצויים במרבצי מי ים ומלח.
מחקר רב נערך לשיפור חומרים עבור אלקטרודות חיוביות (קתודות), אלקטרודות שליליות (אנודות) ואלקטרוליטים לשיפור יציבות מחזור ארוך והשגת ממשק אלקטרוליט מוצק דק (SEI) עבור SIBs. SEI היא שכבה פסיבית שנוצרת על פני האנודה במהלך מחזורי הטעינה/הפריקה הראשוניים, המונעת מהאנודה להתפרק עקב תגובות עם האלקטרוליט.
SEI מעוצב היטב הוא חיוני לביצועי הסוללה. בהקשר זה, פחמן קשה (HC) הופיע כחומר אנודה מבטיח. ובכל זאת, המסחור שלו היה קשה מכיוון שהוא יוצר SEI לא אחיד, עבה וחלש עקב צריכת אלקטרוליטים מוגברת, מה שמוריד את יציבות הטעינה/פריקה ואת מהירויות התגובה. כדי לטפל בבעיות אלה, קלסרים כגון מלחי תאית קרבוקסימטיל, פולי(אקרילי חוּמצָהנעשה שימוש בנגזרות, ובפולי(וינילידן פלואוריד) (PVDF). עם זאת, קלסרים אלה גורמים להתפזרות איטית של יוני Na באנודה, מה שמוביל ליכולת קצב ירודה של SIBs מבוססי HC.
פריצת דרך ב-JAIST
כדי להתגבר על החסרונות הללו, פרופסור Noriyoshi Matsumi וסטודנט לקורס הדוקטורט Amarshi Patra מהמכון המתקדם למדע וטכנולוגיה של יפן (JAIST) פיתחו אנודת HC תוך שימוש בחומר מקשר פולי(פומארי) (PFA). הממצאים שלהם פורסמו ב- Journal of Materials Chemistry א ב-10 במאי 2024.
בהסבירו את היתרונות של PFA, אומר פרופ' מצומי, "בניגוד לקשרים פולי(חומצה אקרילית) קונבנציונליים, PFA הוא פולימר בעל צפיפות תפקודית גבוהה עם חומצה קרבוקסילית הנוכחת בכל אטומי הפחמן של השרשרת הראשית. זה מאפשר ל-PFA לשפר את דיפוזיית יוני Na בשל נוכחותם של אתרי דילוג יונים מרוכזים ביותר ולהיצמד לאלקטרודה בצורה חזקה יותר. בנוסף, קלסרים PFA מציעים מסיסות מים ואי-רעילות, והמבשרת שלו, חומצה פומארית, היא פולימר על בסיס ביו".
קושרי חומצה פוליפומריים משפרים את מהירות הדיפוזיה של יונים והיצמדות לקולט הזרם של אנודות פחמן קשיח בסוללות נתרן-יון, וכתוצאה מכך יציבות רכיבה מצוינת וקיבולת ספציפית. קרדיט: Noriyoshi Matsumi מ-JAIST
החוקרים סינתזו PFA באמצעות הידרוליזה של פולי(פומראט אסטר)ים. לאחר מכן, הם ערבבו HC, Super P פחמן ו-PFA במים כדי ליצור תמיסה מימית, שצופה על גבי רדיד נחושת וייבשה למשך הלילה כדי לייצר אנודת HC. אנודה זו, יחד עם דיסק מתכת נתרן כאלקטרודת הנגד ו-1.0 M NaClO4 כאלקטרוליט, שימש לבניית חצי תא מסוג אנודה.
החוקרים ערכו בדיקת קילוף כדי לבדוק את השפעת המקשר על ההידבקות בין רכיבי האלקטרודה לקולט זרם הנחושת. יש לציין כי נדרשת הדבקה חזקה לאורך החיים הארוכים של SIBs. כוח הקילוף של אלקטרודת ה-PFA-binder המכיל HC נמצא 12.5 N, שהיה גבוה משמעותית מאלקטרודות פולי(חומצה אקרילית)-HC עם 11.5 N ואלקטרודות PVDF-HC עם כוח קילוף של 9.8 N.
חצי תא האנודה היה נתון לבדיקות אלקטרוכימיות שונות וביצועי סוללה. בבדיקות מחזור טעינה/פריקה, חצי תא האנודה הראה קיבולות ספציפיות של 288 mAhg-1 ו-254 mAhg-1 בצפיפות זרם של 30 מג-1 ו-60 מג-1, בהתאמה, טוב משמעותית מאלקטרודות מסוג PVDF ופולי(חומצה אקרילית). הוא גם הראה יציבות מצוינת למחזור ארוך, ושמר על 85.4% מהקיבולת שלו לאחר 250 מחזורים. האנודה יצרה SEI דק ולא הראתה היווצרות סדקים או פילינג, מה שתרם לעמידות המשופרת של חצי התא. יתר על כן, מקדם הדיפוזיה של Na עבור אלקטרודת PFA-HC היה 1.9 × 10-13 ס"מ2/s, גבוה מאלקטרודות פולי(חומצה אקרילית)-HC ו-PVDF-HC.
השלכות ומסקנה עתידית
ממצאים אלה יכולים להוביל לפיתוח של SIBs עם ביצועים אלקטרוכימיים משופרים. במבט לעתיד, אומר פרופ' מצומי, "בחומר פולימרי זה, שינויים מבניים שונים אפשריים באמצעות תגובות פולימר שונות, שיכולות לשפר עוד יותר את הביצועים. בעתיד, אנו שואפים לערוך מחקר משותף עם חברות ליישומו המסחרי. בנוסף, כחומר קלסר מסיס במים ולא רעיל המשפר את העמידות, ניתן ליישם אותו לא רק ב-SIBs אלא גם במגוון רחב של התקני אחסון אנרגיה."
בסך הכל, החומר החדש הזה יכול להוביל לשימוש נרחב יותר במכשירי אנרגיה זולים המבוססים על SIBs, מה שיוביל לחברה יעילה יותר באנרגיה וניטרלית פחמן.
המחקר מומן על ידי משרד החינוך, התרבות, הספורט והטכנולוגיה (MEXT), יפן.
