Kina har hittat batteriernas heliga gral: laddas på fyra minuter och 6 000 timmars stabilitet för att glömma litium

Jag tror att vi alla drömmer om det ögonblicket: att ansluta vår mobiltelefon till strömmen och få den att gå från 0 till 100 % under den tid det tar att brygga en kaffe, utan att batteriet skadas på lång sikt eller tappar kapacitet under månaderna. Detta låter fortfarande som science fiction, men det är vad ett team av forskare i Kina just har föreslagit och de har uppnått det.

Kort sagt. Ett konsortium av forskare från Southeast University, HiNa Battery Technology och Yangzhou University har utvecklat en ny kvasi-solid elektrolyt (QSE) designad specifikt för natriummetallbatterier. Resultaten av deras forskning, publicerade i den vetenskapliga tidskriften Nano-Micro Letters, visar hur de har uppnått ultrasnabb laddning (motsvarande att fylla batteriet på cirka fyra minuter, med en hastighet av 15C) samtidigt som de har behållit 90 % av sin kapacitet efter 2 000 höghastighetsladdnings- och urladdningscykler (3C).

Natrium har precis slagit i bordet jämfört med litium. I Xataka förbereder CATL i år för att lösa den stora väntande utmaningen med batterier: 600 kilometer på en enda laddning Mer på djupet. För att förstå omfattningen av detta fynd måste du titta på den nuvarande marknaden.

Natriumbatterier har uppmärksammats av industrin under en tid eftersom natrium är ett material som är oändligt mycket billigare och rikligare på jorden än litium, vilket gör det möjligt att undvika flaskhalsar i den globala leveranskedjan och prisvolatilitet. Fram till nu var dock natriums stora akilleshäl den "motsvarande avvägningen": om du ville ha snabbladdning så offrade du drastiskt batteritiden och säkerheten. Detta berodde på den långsamma transporten av natriumjoner och instabiliteten hos gränssnitten i stapeln.

Detta nya framsteg tillåter en symmetrisk natriumcell att fungera stabilt i 6 000 oavbrutna timmar utan fel relaterade till kortslutningar. För slutanvändaren innebär detta en nära framtid där elfordon och elektroniska enheter kommer att vara mycket billigare, säkrare och ha laddningstider som helt kommer att eliminera den berömda "räckviddsångesten".

Vetenskapen bakom milstolpen. Forskare har kallat denna lösning "dual intertwined mediator engineering." Enkelt uttryckt har de gjort om motorvägen på vilken jonerna färdas inuti batteriet, vilket eliminerar trafikstockningar och förstärker axlar, utan att förlora den fysisk-kemiska stringens i processen. I konventionella elektrolyter rör sig natrium klumpigt och uppnår ett överföringstal (måttet som definierar hur effektivt och fritt joner rör sig) på bara mellan 0,4 och 0,7.

Den nya elektrolyten, kallad Sn-FB QSE, uppnår ett nästan perfekt index på 0,94. Detta indikerar "singeljonsledning": natrium färdas individuellt och direkt, utan att dra tunga element i sin väg. För att uppnå detta har de använt två huvudsakliga kemiska protagonister som fungerar som ett team: Frigöraren (DFOB⁻ Salt): På molekylär nivå försvagar detta salt den starka koordinationsinteraktionen mellan natriumjonerna och elektrolytens polymernätverk.

Genom att ta bort detta kemiska "lim" frigörs natriumet. Molekylär dynamiksimuleringar visar att jondiffusion når 16,8 Ų ns⁻¹, ungefär sex gånger snabbare än i traditionella flytande elektrolyter. Byggarskölden (tennjoner, Sn²⁺): Under laddningen reduceras först Sn²⁺ vid anoden.

Detta skapar en skyddande film (vetenskapligt känd som Solid Electrolyte Interface eller SEI) rik på en natrium-tennlegering. Detta skikt fungerar som en form som homogeniserar det elektriska fältet, vilket tvingar natrium att avsätta platt och enhetligt. Farväl till de fruktade "dendriterna", de nålformade metallstrukturerna som tränger igenom batteriet och orsakar kortslutningar.

Dessutom fullbordas den dubbla effekten i den andra änden av stacken. Medan tenn skyddar anoden, oxideras DFOB⁻ på ett offer vid katoden för att bilda ytterligare ett extremt robust, oorganiskt skyddande skikt (CEI) bara 14 nm tjockt. Denna tunna film stoppar nedbrytningen av elektrolyten i dess spår vid höga spänningar, vilket garanterar batteriets livslängd.

Från laboratoriet till den verkliga världen. Ofta finns dessa upptäckter kvar i små laboratorie-"knappbatterier" som aldrig ser dagens ljus. Men det mest lovande med denna forskning är dess skalbarhet och praktiska tillämpning.

Forskarna konstruerade flexibla, tryckfria "påsceller". I en videodemonstration lyckades de använda ett av dessa batterier för att ladda en smartphone kontinuerligt, även medan de upprepade gånger böjde och manipulerade den med händerna, vilket visade exceptionell flexibilitet och motståndskraft. Till detta kommer att elektrolyten förblir stabil upp till 4,7 volt, vilket öppnar dörren för att para ihop den med ännu kraftfullare material i framtiden.

Och viktigast av allt för industrin: detta tillvägagångssätt är helt kompatibelt med nuvarande tillverkningsmetoder och kan till och med utvidgas till litium- och kaliummetallbatterier.

Framtiden knackar på dörren. Att ladda din telefon på fyra minuter utan att förstöra batteriet på några månader har alltid varit hemelektronikens heliga graal. Med materialtekniska innovationer som denna kvasi-fasta elektrolyt är natrium inte längre "den billiga brodern" för att positionera sig som en mycket högpresterande teknologi.

Även om det fortfarande finns en väg att gå för att se dessa batterier på kommersiella hyllor, gör denna upptäckt det klart att framtiden för bärbar energi innebär att man överger det exklusiva beroendet av litium. Eran då du av misstag kopplar in din mobiltelefon och har batterikraft för hela dagen är ett stort steg närmare att vara vår dagliga rutin. Bild | Unsplash Xataka | Schweiz gräver en grop som är 27 meter djup och längre än två fotbollsplaner: allt för ett gigantiskt batteri