Ideálne batérie elektromobilov? Riešením môže byť „sendvič“

ZDROJ | The Harvard Gazette

Batérie s rýchlym nabíjaním a dlhou životnosťou sú nevyhnutné pre rozvoj e-mobility, ale dnešné lítium-iónové batérie to príliš nespĺňajú – sú príliš ťažké, drahé a ich nabíjanie trvá pridlho.

Už desaťročia sa vedci snažia využiť potenciál pevných lítium-kovových batérií, ktoré majú v porovnaní s tradičnými lítium-iónovými batériami podstatne viac energie v rovnakom objeme a nabijú sa za zlomok času.

Pozrite siLi-metal môže priniesť trojnásobok kapacity Li-ion batérií

„Batéria Li-metal je považovaná za svätý grál chémie batérií kvôli jej vysokej kapacite a energetickej hustote,“ hovorí Xin Li, docent materiálovej vedy na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS). „Slabinou týchto batérií však bola vždy zlá stabilita.“

Vedúci výskumu, doc. Xin Li.ZDROJ | Harvard SEAS

Teraz Xin Li a jeho tím navrhli stabilnú lítium-kovovú batériu v pevnej fáze, ktorá zvládne minimálne 10 000 nabíjacích cyklov, čo je rekordná hodnota, navyše pri vysokej prúdovej hustote. Vedci skombinovali nový dizajn s komerčným katódovým materiálom s vysokou hustotou energie.

Táto technológia batérií by mohla predĺžiť životnosť elektromobilov na úroveň životnosti benzínových automobilov, teda minimálne na 10 až 15 rokov, bez nutnosti výmeny batérie. Vďaka vysokej prúdovej hustote by sa batéria navyše mohla úplne nabiť do 10 až 20 minút.

Lítium-kovové batérie majú však problém. Lítiové batérie počas nabíjania prenášajú lítiové ióny z katódy na anódu. Keď je anóda vyrobená z kovového lítia, na povrchu sa vytvárajú ihlicovité štruktúry, nazývané dendrity, ktoré rastú ako korene do elektrolytu a môžu preraziť bariéru oddeľujúcu anódu od katódy. To spôsobí skrat, ktorý môže batériu zničiť a dokonca aj vznietiť.

Sendvičová štruktúra nových Li-metal batérií s pevným elektrolytom.ZDROJ | Lisa Burrows / Harvard SEAS

Vedci z Harvardu na prekonanie tohto problému navrhli viacvrstvovú batériu so sendvičovou štruktúrou rôznych materiálov medzi anódou a katódou. Táto viacvrstvová batéria zabraňuje prenikaniu lítiových dendritov nie úplným zastavením, ale skôr ich kontrolou a blokovaním. Li novú batériu prirovnáva k sendviču BLT.

(B.L.T je skratka hlavných ingrediencií populárneho sendviča – slanina, ľadový šalát a paradajka, anglicky bacon, lettuce, tomato.)

Najprv prichádza na rad „chlieb“ ako lítium-kovová anóda, potom „šalát“ – vrstva grafitu. Nasleduje vrstva „paradajok“ v podobe prvého elektrolytu, vrstva „slaniny“ – druhý elektrolyt, ďalšia vrstva „paradajok“ a uzavrie sa to posledným kúskom „chleba“ – katódou.

Pozrite siGM ide do Li-metal batérií, prinesú revolúciu

Prvý elektrolyt (chemický názov Li5.5PS4.5Cl1.5 alebo LPSCI) je stabilnejší s lítiom, ale náchylný na penetráciu dendritmi. Druhý elektrolyt (Li10Ge1P2S12 alebo LGPS) je menej stabilný s lítiom, ale je imúnny voči dendritom. V tomto prevedení môžu dendrity rásť cez grafit a prvý elektrolyt, ale zastavia sa, keď dosiahnu druhý elektrolyt. Obrazne povedané, dendrity rastú cez šalát a paradajky, ale zastavia sa pri slanine. „Slaninová“ bariéra zabráni dendritom v prerazení a skratovaní batérie.

Tesla Model S 2021ZDROJ | Tesla

Táto stratégia kontrolovania nestability s cieľom stabilizovať batériu funguje ako hmoždinka, ktorá dokáže viesť a ovládať skrutku idúcu do steny. Takto funguje viacvrstvový dizajn batérie. „Rozdiel je v tom, že naša „hmoždinka“ sa rýchlo stáva príliš tesnou na to, aby dendrit mohol postupovať, takže rast dendritov je zastavený,“ dodal Li. Batéria je tiež samoregeneračná – jej chémia umožňuje zaceliť otvory vytvorené dendritmi.

Vedci dokázali s novou batériou uskutočniť 10 000 nabíjacích/vybíjacích cyklov pri 20 °C, pričom batéria stratila len 18 percent kapacity. Inak povedané stále si zachovala 82 % pôvodnej kapacity. Horšie to bolo s nabíjaní pri nízkej teplote, čo je všeobecný problém nielen pri elektromobiloch. Pri nabíjaní pri 1,5 °C sa kapacita pevných „BLT“ batérií znížila na  81,3% kapacity už po  2 000 cykloch.

Pozrite si94-ročný vynálezca Li-ion batérií pomáha vytvoriť lepší svet

Na druhej strane to stále nie je zlé. Ak si predstavíme batériu elektromobilu umožňujúcu dojazd 500 km na plné nabitie, pri nemennej kapacite by umožnila počas životnosti najazdiť teoreticky milión kilometrov. Nabíjanie v chlade toto číslo o niečo zníži, ale nabíjanie pri príjemných teplotách zas oveľa zvýši.

Ukazuje sa, že „sendvičové“ lítium-kovové pevné batérie môžu byť životaschopnou alternatívou voči komerčným lítium-iónovým batériám. Potenciálne by sa mohli vyrábať na existujúcich linkách pre Li-ion batérie, aj keď, ako to už býva, z laboratórií do hromadnej výroby vedie neľahká a tŕnistá cesta. Spolu s výskumníkmi veríme, že sa ju podarí prekonať čo najskôr.

Výskum bol publikovaný v magazíne Nature.

ZdrojThe Harvard Gazette

Komentáre k článku