Dienvidkorejas pētnieki izstrādājuši bezanoda cietvielu akumulatoru, kura biezums ir tikai 2,77 mikrometri

Akumulatorā anods veidojas uzlādes laikā

Pētījums, kas publicēts zinātniskajā žurnālā Advanced Energy Materials ar nosaukumu “Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode”, pievēršas litija nogulsnēšanās kontrolei cietvielu akumulatoros. Parastā litija jonu akumulatorā anods un katods ir atsevišķi, un uzlādes laikā litija joni pārvietojas starp tiem. Jaunajā konstrukcijā izgatavošanas brīdī nav ierastā anoda slāņa. Pirmās uzlādes laikā litijs no katoda pārvietojas uz strāvas kolektoru, uz tā veidojot metāliska litija slāni.

Šāda pieeja ļauj samazināt akumulatora izmērus un palielināt uz tilpuma vienību uzkrāto enerģijas daudzumu. Tomēr problēma ir nevienmērīga litija nogulsnēšanās, kas var izraisīt ietilpības zudumu un iekšējus īsslēgumus.

Alva un ogleklis uzlabo akumulatora stabilitāti

Pētnieku risinājumā izmantots vara strāvas kolektors, kam pievienots īpaši plāns alvas un oglekļa starpslānis.

Alva palīdz sākt litija nogulsnēšanos, savukārt ogleklis palīdz tam nogulsnēties vienmērīgāk. Tas samazina risku, ka uzlādes laikā veidosies neregulāras litija struktūras vai ka litijs kļūs elektriski izolēts un vairs nepiedalīsies enerģijas uzkrāšanā. Pētnieki izmantoja arī iepriekšēju litija ievadīšanu, pievienojot sistēmai nelielu litija rezervi, lai kompensētu neatgriezeniskos zudumus pirmajos darbības ciklos.

Prototipā litija vanādija oksīda katods apvienots ar LiPON tipa cieto elektrolītu. Katods ir aptuveni 2 mikrometrus biezs, bet visa akumulatora elementa biezums ir 2,77 mikrometri.

Pēc 100 uzlādes un izlādes cikliem elements sasniedza 235,13 Wh/l tilpuma enerģijas blīvumu. Testēšana notika pie ļoti mazas strāvas, ar uzlādes ātrumu 0,01 C.

Enerģijas blīvums vēl nav pietiekams elektroauto

Lai gan rezultāts parāda jaunu pieeju cietvielu akumulatoru izstrādei, 235 Wh/l pēc mūsdienu elektroauto standartiem nav izcils rādītājs.

Mūsdienu litija jonu akumulatori elementa līmenī var sasniegt vairāku simtu Wh/l enerģijas blīvumu. Tādēļ Dongguk universitātes prototipu nevar uzskatīt par tiešu konkurentu elektroauto akumulatoriem, ko izstrādā Toyota, CATL vai citi lielākie akumulatoru ražotāji.

Svarīgāks ir šīs konstrukcijas pamatprincips. Bezanoda konstrukcija nākotnē varētu samazināt materiālu patēriņu un ļaut izgatavot kompaktākus akumulatoru elementus.

Tomēr attiecībā uz pašreizējo prototipu joprojām ir jautājumi par ilgtermiņa izturību, uzlādi ar lielu strāvu, ražošanas izmaksām un tehnoloģijas pielāgošanu akumulatoru ražošanai lielā mērogā.

Jaunā pieeja varētu būt īpaši piemērota valkājamām elektroniskajām ierīcēm, medicīnas ierīcēm un maziem sensoriem, kur akumulatora izmēri bieži ir svarīgāki par enerģijas blīvumu.

Svarīgs pētniecības virziens Eiropas akumulatoru nozarei

Eiropas akumulatoru ražotāji un autobūves uzņēmumu grupas iegulda cietvielu akumulatoros, cerot palielināt nobraukumu, uzlabot drošību un mazināt atkarību no parastajiem litija jonu akumulatoriem.

Dongguk universitātes darbs tomēr parāda, ka cietvielu akumulatoru panākumi nav atkarīgi tikai no jauniem elektrolītiem. Vismaz tikpat svarīga ir procesu kontrole uz elektrodu robežvirsmām.

Pētījuma patiesā vērtība slēpjas nevis 235 Wh/l enerģijas blīvumā, bet gan iespējā padarīt bezanoda akumulatoru stabilāku. Ja pētniekiem izdosies to pašu principu izmantot lielākos elementos un pie lielākas uzlādes strāvas, tas varētu veicināt nākamās paaudzes akumulatoru izstrādi.

Pagaidām tehnoloģija vēl ir laboratorijas stadijā. Pirms to varētu izmantot elektroauto, būtu nepieciešama būtiska turpmāka izstrāde.