维度网讯，新加坡国立大学（National University of Singapore）的研究人员开发出一种更安全的固态钠电池，该电池利用石墨相氮化碳（graphitic carbon nitride, GCN）这一低成本添加剂，在改善离子移动的同时阻止电池内部危险金属的生长。

这一研究针对钠离子电池面临的主要安全性挑战。虽然钠比锂更便宜且储量丰富，但大多数钠电池仍依赖易燃的液态电解质，存在泄漏或起火风险。

固态聚合物电解质被认为是更安全的替代方案，但这类材料通常存在电导率低以及与钠金属电极接触不稳定的问题。长期运行后，电池内部会生长出针状金属结构——枝晶，最终引发短路。

新加坡国立大学团队利用石墨相氮化碳解决了电导率与枝晶两个问题。GCN是通过将尿素加热至550摄氏度制成的材料，被混入由聚环氧乙烷和钠盐制成的聚合物电解质薄膜中。

研究人员表示，超薄的GCN片层重组了聚合物结构，帮助钠离子更自由地移动，同时提高了电池内部的机械强度。

改性后的电解质在55摄氏度下的离子电导率提高了一倍以上，并将钠离子迁移数从0.19提升至0.51。团队称，GCN表面的富氮位点帮助钠离子从其盐对中分离，增加了运行过程中可用的载流离子数量。

“我们方法的强大之处在于其简单性，”新加坡国立大学副教授Palani Balaya表示。“GCN可以由世界上使用最广泛的化学前驱体之一制成，并集成到已经可扩展的聚合物体系中。”

该添加剂还有助于解决枝晶形成问题。反复充放电通常会导致电极表面钠沉积不均匀，最终产生刺穿电解质并破坏电池的枝晶。研究人员称，GCN增强型聚合物的强度是未改性版本的三倍，能够物理抵抗枝晶穿透。该材料还在钠金属表面形成更稳定的保护层，有助于引导均匀的钠沉积。

在测试中，标准聚合物电解质在0.1 mA cm-2的电流密度下于250小时内失效。改性版本在相同条件下稳定运行了1000小时，并在更高的0.2 mA cm-2电流密度下持续运行超过2000小时而未出现故障。

团队还使用磷酸钒钠（sodium vanadium phosphate）正极和钠金属负极构建了全固态钠电池。在0.5C充放电倍率下，这些电池在500次循环后保留了95%的容量，库仑效率保持在约99.97%。

研究人员展示了一款软包电池版本，即使在折叠、展开和切割时仍能为LED供电，显示出更高的安全性和机械稳定性。

团队表示，目前正在开发能在接近室温下高效运行的钠电池，同时也在研究旨在提高能量密度的双极堆叠结构。

该研究发表在期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

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