新加坡研究人员开发出低成本添加剂，可提升钠离子电池性能

【中国观察2026年06月28日讯】



研究人员将石墨氮化碳 (GCN) 添加到固体聚合物电解质中，使离子电导率提高了一倍以上，并将钠离子迁移率从 0.19 提高到 0.51。

GCN 改进型电池在 0.2 mA cm?² 电流密度下稳定运行超过 2,000 小时，而标准电池在 250 小时内就失效了。

完整电池在 500 次循环后仍保持 95% 的容量，库仑效率约为 99.97%。

软包电池版本在折叠、展开和切割过程中都能为 LED 供电，证明了其机械稳定性和防火安全性。

GCN 由丰富的尿素在 550 摄氏度下制成，易于集成到现有的聚合物系统中，为改进固态钠电池提供了一种廉价的途径。
新加坡国立大学的研究人员开发出一种简单且价格低廉的添加剂，能够显著提升固态钠离子电池的性能，从而克服了这项新兴技术商业化应用的关键障碍。随着全球对更安全、更可持续的储能需求日益增长，钠离子电池有望成为锂电池系统的替代方案，而这项突破性成果的取得正值此时。


发表在《先进功能材料》杂志上的研究结果表明，将石墨氮化碳 (GCN)（一种通过将普通化学品尿素加热到 550 摄氏度制成的材料）添加到聚合物电解质中，可以使离子电导率提高一倍以上，并在测试条件下将电池的使用寿命延长至 2000 小时以上。

添加剂的工作原理
研究人员将超薄的GCN薄片掺入由聚环氧乙烷和钠盐组成的固体聚合物电解质中。GCN薄片的富氮表面有助于将钠离子与其盐对分离，从而使电解质内部有更多的载流离子可用。这种效应有助于在充放电过程中实现更快、更高效的离子移动。


在 55°C 时，离子电导率比标准聚合物电解质提高了一倍以上。钠离子迁移数（衡量运行过程中钠离子所贡献电流比例的指标）从 0.19 上升到 0.51，表明钠离子携带的电荷比例显著增加。


领导这项研究的副教授帕拉尼·巴拉亚表示，该方法的优势在于其简便性。他解释说，GCN来源于世界上分布最广泛的化学前体之一，制造商可以将其整合到现有的聚合物体系中，从而支持规模化生产。

耐久性和安全性改进
改性后的电解液还增强了聚合物结构，有助于与钠金属阳极保持稳定的接触。这种稳定的界面对于长期性能至关重要。


在0.1 mA cm⁻²的电流密度下进行测试时，标准聚合物电解质在250小时内停止工作。而GCN改性后的聚合物电解质在相同条件下稳定运行了1000小时。在更高的电流密度0.2 mA cm⁻²下，其运行时间超过2000小时而未发生故障。


研究人员还组装了全固态电池，该电池采用磷酸钒钠正极和钠金属负极。在0.5C的充放电倍率下，电池在500次循环后仍能保持95%的容量，同时库仑效率约为99.97%——这些数据表明，该电池在重复使用过程中能够稳定高效地运行。


除了纽扣电池测试外，研究团队还制造了柔性软包电池版本。在演示过程中，研究人员对软包电池进行折叠、展开甚至切割，电池仍能持续为LED供电，这凸显了电解液的机械稳定性和卓越的安全性。

钠的重要性
钠离子电池化学技术相比锂离子电池系统，在安全性方面有了显著提升。其固有的稳定性消除了灾难性火灾的风险——这是当前电网储能和电动汽车系统的一个关键缺陷。BrightU.AI 的Enoch引擎还指出，与锂不同，钠无需破坏环境的开采，也不存在地缘政治供应链风险。这一安全优势，加上钠的储量丰富且成本低廉，使该技术成为大规模储能应用领域潜在的变革性替代方案。


企业主导的创新已经推动钠离子电池走向商业化。中国制造商宁德时代（CATL）的最新突破使得电动汽车单次充电可行驶300英里，同时电池还具有高达10000次的超长使用寿命和在极端温度下优异的性能。


新加坡团队的增材制造方法可以加速这一进程，因为它提供了一种改进固态钠电池的方法，而无需昂贵的材料或对现有制造工艺进行复杂的重新设计。


研究人员目前计划改进电池在接近室温下的性能，这对于其在消费电子产品和电动汽车等实际应用中至关重要。他们还在开发双极堆叠式电池结构，以进一步提高能量密度。


由尿素衍生的石墨氮化碳是一种极其廉价的原料。其制造工艺也十分简便，易于规模化生产。凭借优异的容量保持率、卓越的效率和适用于软包电池的灵活性能，这种钠离子电池添加剂为更安全、更持久的固态储能提供了一条充满希望的途径。