Južnokorejski istraživači razvili bateriju s čvrstim elektrolitom bez anode, debelu samo 2,77 mikrometara

Baterija tijekom punjenja stvara anodu

Studija objavljena u znanstvenom časopisu Advanced Energy Materials pod naslovom „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode” bavi se kontrolom taloženja litija u baterijama s čvrstim elektrolitom. U konvencionalnoj litij-ionskoj bateriji anoda i katoda odvojene su, a litijevi ioni tijekom punjenja kreću se između njih. Nova konstrukcija u trenutku proizvodnje nema konvencionalni anodni sloj. Tijekom prvog punjenja litij prelazi s katode na strujni kolektor i na njemu tvori sloj metalnog litija.

Takav pristup omogućuje smanjenje dimenzija baterije i povećanje količine energije po jedinici volumena. Problem je, međutim, neravnomjerno taloženje litija, koje može uzrokovati gubitak kapaciteta i unutarnje kratke spojeve.

Kositar i ugljik poboljšavaju stabilnost baterije

Rješenje istraživača temelji se na bakrenom strujnom kolektoru kojem su dodali iznimno tanak međusloj od kositra i ugljika.

Kositar pomaže pokrenuti taloženje litija, a ugljik pridonosi njegovoj ravnomjernijoj raspodjeli. Time se smanjuje rizik od nastanka nepravilnih struktura litija tijekom punjenja ili od toga da litij ostane električno izoliran i više ne sudjeluje u pohrani energije. Istraživači su primijenili i predlitijaciju: u sustav su dodali malu zalihu litija kako bi nadoknadili nepovratne gubitke tijekom početnih radnih ciklusa.

Prototip kombinira katodu od litijeva vanadijeva oksida s čvrstim elektrolitom tipa LiPON. Katoda je debela približno 2 mikrometra, a cijela baterijska ćelija 2,77 mikrometara.

Nakon 100 ciklusa punjenja i pražnjenja ćelija je postigla volumetrijsku gustoću energije od 235,13 Wh/l. Ispitivanje je provedeno pri vrlo niskoj struji, uz brzinu punjenja od 0,01 C.

Gustoća energije još nije dovoljna za električna vozila

Iako rezultat pokazuje nov pristup razvoju baterija s čvrstim elektrolitom, 235 Wh/l nije iznimna vrijednost prema današnjim mjerilima za električna vozila.

Moderne litij-ionske baterije mogu na razini ćelije postići gustoću energije od nekoliko stotina Wh/l. Stoga se Donggukov prototip ne može smatrati izravnim konkurentom baterijama za električna vozila koje razvijaju Toyota, CATL i drugi veliki proizvođači baterija.

Važnije je načelo na kojem se temelji konstrukcija. Baterija bez anode mogla bi u budućnosti smanjiti potrošnju materijala i omogućiti kompaktnije baterijske ćelije.

Za sadašnji prototip, međutim, ostaju otvorena pitanja dugotrajne izdržljivosti, punjenja pri visokim strujama, troškova proizvodnje i prilagodbe tehnologije za proizvodnju baterija u velikim količinama.

Novi pristup mogao bi biti osobito prikladan za nosivu elektroniku, medicinske uređaje i male senzore, kod kojih su dimenzije baterije često važnije od gustoće energije.

Važan smjer istraživanja za europsku industriju baterija

Europski proizvođači baterija i automobilske grupacije ulažu u baterije s čvrstim elektrolitom u nadi da će povećati doseg vozila, poboljšati sigurnost i smanjiti ovisnost o konvencionalnim litij-ionskim baterijama.

Rad Sveučilišta Dongguk ipak pokazuje da uspjeh baterija s čvrstim elektrolitom ne ovisi samo o novim elektrolitima. Kontrola procesa na sučeljima elektroda barem je jednako važna.

Prava vrijednost studije nije u gustoći energije od 235 Wh/l, nego u mogućnosti da baterija bez anode postane stabilnija. Ako istraživači uspiju primijeniti isto načelo na veće ćelije i pri višim strujama punjenja, ono bi moglo pridonijeti razvoju baterija sljedeće generacije.

Zasad je tehnologija još u laboratoriju. Prije primjene u električnim vozilima bio bi potreban znatan daljnji razvoj.