חוקרי KAIST פיתחו סוללת נתרן-יון היברידית פורצת דרך עם צפיפות הספק ואנרגיה גבוהים, המבטיחה טעינה מהירה עבור יישומים בכלי רכב חשמליים וטכנולוגיות מתקדמות אחרות.
נתרן (Na), בהיותו בשפע של יותר מפי 500 מליתיום (Li), משך לאחרונה עניין רב בשימוש הפוטנציאלי שלו בטכנולוגיות סוללות נתרן-יון.
עם זאת, סוללות נתרן-יון קיימות עומדות בפני מגבלות בסיסיות, לרבות תפוקת כוח נמוכה יותר, תכונות אחסון מוגבלות וזמני טעינה ארוכים יותר, המחייבות פיתוח של חומרי אחסון אנרגיה מהדור הבא.
ב-11 באפריל, KAIST (מיוצג על ידי הנשיא קוואנג היונג לי) הודיע כי צוות מחקר בראשות פרופסור ג'ונג קו קאנג מהמחלקה למדעי החומרים והנדסת החומרים פיתח סוללת נתרן-יון היברידית בעלת אנרגיה גבוהה, בעלת הספק גבוה המסוגלת להיטען במהירות.
איפיונים אלקטרוכימיים של תאים מלאים FS/C/G-20//ZDPC SIHES (משמאל). מגרשי Ragone עבור FS/C/G-20//ZDPC (עבודה זו) ושאר התקני אחסון אנרגיה אלקטרוכימיים של נתרן-יון (מימין). קרדיט: KAIST מעבדת סימולציה וייצור חומרים ננו
מערכת אחסון האנרגיה ההיברידית החדשנית משלבת חומרי אנודה המשמשים בדרך כלל בסוללות עם קתודות המתאימות לקבלי-על. שילוב זה מאפשר למכשיר להשיג גם יכולות אחסון גבוהות וגם קצבי טעינה-פריקה מהירים, ומציב אותו כחלופה בת-קיימא של הדור הבא לסוללות ליתיום-יון.
התמודדות עם אתגרים טכנולוגיים
עם זאת, הפיתוח של סוללה היברידית בעלת אנרגיה גבוהה וצפיפות הספק גבוהה דורש שיפור לקצב אחסון האנרגיה האיטי של אנודות מסוג סוללה וכן שיפור הקיבולת הנמוכה יחסית של חומרים קתודיים מסוג קבל-על.
נהלים סינטטיים סכמטיים של חומרים אנודה וקתודה בעלי קיבולת גבוהה/גבוהה עבור מאגרי אנרגיה היברידיים של נתרן-יון (SIHES) ומנגנוני אגירת האנרגיה המוצעים שלהם. פרוצדורות סינתטיות עבור (א) אנודה של פחמן/גרפן (FS/C/G) משובץ ברזל סולפיד דק במיוחד ו-(ב) חומרים קתודיות של פחמן נקבובי (ZDPC) הנובעות ממסגרת זאוליטית. (ג) מנגנוני אחסון אנרגיה מוצעים של יוני Na+ באנודת FS/C/G ויוני ClO-4 בקתודה ZDPC עבור SIHES. קרדיט: KAIST מעבדת סימולציה וייצור חומרים ננו
כדי להסביר זאת, הצוות של פרופסור קאנג השתמש בשתי מסגרות מתכת-אורגניות שונות לסינתזה מיטבית של סוללות היברידיות. גישה זו הובילה לפיתוח של חומר אנודה עם קינטיקה משופרת באמצעות הכללת חומרים פעילים עדינים בפחמן נקבובי שמקורו במסגרות מתכת-אורגניות.
בנוסף, חומר קתודה בעל קיבולת גבוהה סונתז, והשילוב של חומרי הקתודה והאנודה אפשרו פיתוח של מערכת אחסון נתרן-יון המייעלת את האיזון ומזעור הפערים בקצבי אחסון האנרגיה בין האלקטרודות.
ביצועים ויישומים פוטנציאליים
התא המלא המורכב, הכולל את האנודה והקתודה החדשים שפותחו, יוצר התקן היברידי לאחסון אנרגיית נתרן-יון בעל ביצועים גבוהים. מכשיר זה עולה על צפיפות האנרגיה של סוללות ליתיום-יון מסחריות ומציג את המאפיינים של צפיפות הספק של קבלי-על. הוא צפוי להיות מתאים ליישומי טעינה מהירה, החל מכלי רכב חשמליים ועד למכשירים אלקטרוניים חכמים וטכנולוגיות תעופה וחלל.
פרופסור קאנג ציין כי התקן אחסון אנרגיה היברידי של נתרן-יון, המסוגל לטעון מהיר ולהשיג צפיפות אנרגיה של 247 ואט/ק"ג וצפיפות הספק של 34,748 ואט/ק"ג, מייצג פריצת דרך בהתגברות על המגבלות הנוכחיות של מערכות אחסון אנרגיה. הוא צופה יישומים רחבים יותר במכשירים אלקטרוניים שונים, כולל רכבים חשמליים.
המחקר נערך בתמיכת משרד המדע והתקשוב וקרן המחקר הלאומית של קוריאה באמצעות פרויקט פיתוח טכנולוגיות ננו-חומר.
