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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

发布时间: 2026-06-28 08:29:08    最后更新: 2026-06-28 08:29:08 阅读:35,333  约5 分钟阅读     

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
图片说明:示意图    图片来源:Public Domain(公有领域)
【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。

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