Förbättrad natriumlagring i hårdkol genom lösningsmedels-kointerkalations‑elektrolyt som möjliggör Ah‑nivå pouch‑celler vid låga temperaturer

Varför fryssäkra batterier är viktiga

Från elbilar i snörika områden till sensorer i djupa Arktis behöver många moderna enheter batterier som fungerar i kyla. Dagens litium‑ och natriumbatterier tappar ofta effekt eller slutar fungera helt vid mycket låga temperaturer eftersom den inre kemin saktar ned. Den här studien undersöker ett nytt sätt att bygga natriumjonbatterier — genom att använda en särskilt utformad vätska i batteriet — så att de kan lagra och leverera energi på ett tillförlitligt sätt även vid temperaturer så låga som −50 °C.

Utmaningen med frusna batterier

Batterier lagrar energi genom att shuttla laddade atomer, så kallade joner, mellan två fasta elektroder genom en flytande elektrolyt. I natriumjonbatterier måste natriumjonerna pressa sig igenom en tunn ytskiktsfilm och in i en kolbaserad negativ elektrod som kallas hård kol. Vid låga temperaturer går två saker fel: joner rör sig långsammare genom vätskan, och de har svårare att avge de lösningsmedelsmolekyler som omger dem innan de går in i hård kol. Samtidigt tenderar den skyddande ytskiktsfilmen — kallad solid electrolyte interphase — att bli tjockare och mer resistiv i kylan. Allt detta gör det svårare för natriumjonerna att förflytta sig, så batteriet kan leverera betydligt mindre energi när den behövs som mest.

En ny vätskeblandning för enklare jontransport

Forskarna angrep problemet genom att omdesigna elektrolyten så att natriumjonerna inte längre behöver helt avlägsna sitt lösningsmedelsskal innan de går in i hård kol. De blandade två eterbaserade lösningsmedel: dietylenglykol dimetyleter (G2), som fäster hårt vid natriumjoner och understöder snabb jonrörelse, och 2‑metyloxolan (MO), en mindre polar vätska som förblir flytande vid mycket låga temperaturer. I den resulterande ”ko‑interkalations‑elektrolyten” koordinerar natriumjonerna huvudsakligen med G2, medan MO i stor utsträckning fungerar som ett fritt, icke‑bindande lösningsmedel som hjälper blandningen att förbli flytande ned till −50 °C. Datorsimuleringar och spektroskopiska mätningar visade att denna blandning bildar en stabil struktur där natriumjonerna och G2 färdas tillsammans som en liten kluster.

Låta joner gå in i kol utan att klä av sig

I stället för att tvinga natriumjonerna att avlägsna sitt lösningsmedelsskal vid elektrodytan tillåter den nya elektrolyten att natrium–G2‑klustren glider direkt genom ytskiktsfilmen och in i de lagerutrymmen som finns i hård kol. Denna process, kallad lösningsmedels‑kointerkalation, kringgår det långsamma ”avklädnings”‑steget som normalt begränsar prestandan i kyla. Mikroskopiska och spektroskopiska tester visade att ytskiktsfilmen som bildas med denna elektrolyt är tunnare och rikare på oorganiska föreningar än i konventionella system. Den kombinationen skyddar elektroden samtidigt som den fortfarande tillåter joner att passera snabbt. Mätningar av jondiffusion och elektriskt motstånd bekräftade att joner rör sig snabbare inne i kolet och över gränsytan, särskilt vid låga temperaturer.

Stark prestanda även vid −50 °C

När teamet testade myntcellstorlekceller med hård kol och den nya elektrolyten fann de att batterierna bibehöll hög kapacitet och effektivitet från rumstemperatur ner till −50 °C. Vid −50 °C levererade hård kol‑elektroden fortfarande omkring 80 % av sin ursprungliga laddningseffektivitet och höll över 90 % av kapaciteten efter 200 laddnings‑ och urladdningscykler. Gåendes utöver små celler byggde forskarna pouch‑celler — platta batterier liknande dem i konsumentelektronik — med en kapacitet på cirka 1,2 ampere‑timmar. Dessa fullskaliga natriumjonbatterier uppnådde en specifik energi på 163 watt‑timmar per kilogram vid rumstemperatur och 107 watt‑timmar per kilogram vid −50 °C, samtidigt som de fortsatte att driva LED‑lampor i mer än 10 timmar i en −50 °C kammare.

Vad detta betyder för framtida batterier i kalla klimat

För icke‑specialister är huvudbudskapet att författarna hittade ett sätt att låta natriumjonerna behålla sin hjälpsamma lösningsmedelsmantel när de går in i batteriets kol‑elektrod. Genom att skapa en elektrolyt som förblir flytande i kylan och bildar en tunn, jonvänlig ytskiktsfilm tog de bort en stor flaskhals i lågtemperaturprestanda. Detta tillvägagångssätt kan göra natriumjonbatterier — ett billigare alternativ till litiumjon — mer praktiska för användning i vinterklimat, högre höjder och andra hårda miljöer där pålitlig och prisvärd energilagring är angeläget behövd.

Citering: Li, M., Liu, Z., Zhao, Y. et al. Enhanced sodium storage in hard carbon via solvent co-intercalation electrolyte enabling Ah-level pouch cells at low temperatures. Nat Commun 17, 1478 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69237-y

Nyckelord: natriumjonbatterier, lågtemperaturbatterier, elektrolytdesign, hård kol‑anoder, energilagring