Jihokorejští vědci vyvinuli bezanodovou baterii s pevným elektrolytem o tloušťce pouhých 2,77 mikrometru
Vědci z jihokorejské univerzity Dongguk vyvinuli prototyp bezanodové baterie s pevným elektrolytem, který po 100 nabíjecích cyklech dosáhl objemové hustoty energie 235 Wh/l. Baterie má tloušťku pouhých 2,77 mikrometru a využívá novou mezivrstvu z cínu a uhlíku, která pomáhá omezit ztráty lithia a zvýšit spolehlivost. Zatím nejde o průlom v bateriových technologiích pro elektromobily, tento přístup by však mohl pomoci řešit jednu z největších technických slabin baterií s pevným elektrolytem.
Anoda v baterii vzniká při nabíjení
Studie zveřejněná ve vědeckém časopise Advanced Energy Materials pod názvem „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode“ se zaměřuje na řízení vylučování lithia v bateriích s pevným elektrolytem. V běžné lithium-iontové baterii jsou anoda a katoda oddělené a při nabíjení mezi nimi putují ionty lithia. Nová konstrukce při výrobě neobsahuje běžnou anodovou vrstvu. Při prvním nabití přechází lithium z katody na proudový kolektor, kde vytváří vrstvu kovového lithia.
Tento přístup umožňuje zmenšit baterii a zvýšit množství energie uložené v jednotce objemu. Problémem je však nerovnoměrné vylučování lithia, které může způsobit ztrátu kapacity a vnitřní zkraty.
Cín a uhlík zvyšují stabilitu baterie
Řešení vědců využívá měděný proudový kolektor, na který přidali ultratenkou mezivrstvu z cínu a uhlíku.
Cín napomáhá zahájení vylučování lithia, zatímco uhlík pomáhá jeho rovnoměrnějšímu rozložení. Tím se snižuje riziko, že při nabíjení vzniknou nepravidelné lithiové struktury nebo že se lithium elektricky izoluje a přestane přispívat k ukládání energie. Vědci také použili předběžné doplnění lithia: do systému přidali malou zásobu lithia, která má vyrovnat nevratné ztráty během prvních provozních cyklů.
Prototyp kombinuje katodu z oxidu lithia a vanadu s pevným elektrolytem typu LiPON. Katoda má tloušťku přibližně 2 mikrometry, zatímco celý bateriový článek má tloušťku 2,77 mikrometru.
Po 100 cyklech nabití a vybití dosáhl článek objemové hustoty energie 235,13 Wh/l. Testování probíhalo při velmi nízkém proudu, při nabíjecí rychlosti 0,01 C.
Hustota energie zatím pro elektromobily nestačí
Výsledek sice ukazuje nový přístup k vývoji baterií s pevným elektrolytem, hodnota 235 Wh/l však podle měřítek dnešních elektromobilů není výjimečná.
Moderní lithium-iontové baterie mohou na úrovni článku dosahovat hustoty energie několika stovek Wh/l. Prototyp univerzity Dongguk proto nelze považovat za přímého konkurenta baterií pro elektromobily, které vyvíjejí Toyota, CATL nebo další velcí výrobci baterií.
Důležitější je základní princip konstrukce. Bezanodová konstrukce by v budoucnu mohla snížit spotřebu materiálů a umožnit výrobu kompaktnějších bateriových článků.
U současného prototypu však zůstávají otázky ohledně dlouhodobé životnosti, nabíjení vysokými proudy, výrobních nákladů a přizpůsobení technologie velkosériové výrobě baterií.
Nový přístup by mohl být obzvlášť vhodný pro nositelnou elektroniku, zdravotnické přístroje a malé senzory, u nichž jsou rozměry baterie často důležitější než hustota energie.
Důležitý směr výzkumu pro evropský bateriový průmysl
Evropští výrobci baterií a automobilové skupiny investují do baterií s pevným elektrolytem v naději, že zvýší dojezd, zlepší bezpečnost a sníží závislost na běžných lithium-iontových bateriích.
Práce univerzity Dongguk nicméně ukazuje, že úspěch baterií s pevným elektrolytem nezávisí pouze na nových elektrolytech. Přinejmenším stejně důležité je řízení procesů na rozhraní elektrod.
Skutečná hodnota studie nespočívá v hustotě energie 235 Wh/l, ale v možnosti zvýšit stabilitu bezanodové baterie. Pokud se vědcům podaří stejný princip uplatnit u větších článků a při vyšších nabíjecích proudech, mohl by přispět k vývoji baterií nové generace.
Technologie zatím zůstává v laboratoři. Než by ji bylo možné použít v elektromobilech, vyžadovala by další významný vývoj.
