Naukowcy z Korei Południowej opracowali akumulator ze stałym elektrolitem bez anody o grubości zaledwie 2,77 mikrometra
Naukowcy z południowokoreańskiego Uniwersytetu Dongguk opracowali prototyp akumulatora ze stałym elektrolitem bez anody, który po 100 cyklach ładowania osiągnął gęstość energii 235 Wh/l. Akumulator ma zaledwie 2,77 mikrometra grubości i wykorzystuje nową warstwę pośrednią z cyny i węgla, która pomaga ograniczyć straty litu i zwiększyć niezawodność. Nie jest to jeszcze przełom w technologii akumulatorów do samochodów elektrycznych, ale takie rozwiązanie może pomóc uporać się z jednym z największych problemów technicznych akumulatorów ze stałym elektrolitem.
Anoda powstaje podczas ładowania akumulatora
Badanie opublikowane w czasopiśmie naukowym Advanced Energy Materials pod tytułem „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode” dotyczy kontrolowania osadzania się litu w akumulatorach ze stałym elektrolitem. W konwencjonalnym akumulatorze litowo-jonowym anoda i katoda są oddzielnymi elementami, a podczas ładowania przemieszczają się między nimi jony litu. W nowej konstrukcji na etapie produkcji nie ma tradycyjnej warstwy anody. Podczas pierwszego ładowania lit przemieszcza się z katody do kolektora prądowego, tworząc na nim warstwę metalicznego litu.
Takie rozwiązanie pozwala zmniejszyć rozmiary akumulatora i zwiększyć ilość energii magazynowanej w jednostce objętości. Problemem jest jednak nierównomierne osadzanie się litu, które może prowadzić do utraty pojemności i zwarć wewnętrznych.
Cyna i węgiel poprawiają stabilność akumulatora
Rozwiązanie naukowców wykorzystuje miedziany kolektor prądowy, do którego dodano ultracienką warstwę pośrednią z cyny i węgla.
Cyna ułatwia rozpoczęcie osadzania się litu, a węgiel pomaga rozprowadzić go bardziej równomiernie. Zmniejsza to ryzyko powstawania podczas ładowania nieregularnych struktur litu lub utraty przez część litu kontaktu elektrycznego, przez co nie uczestniczy on już w magazynowaniu energii. Naukowcy zastosowali również wstępne litowanie, dodając do układu niewielki jego zapas, aby zrekompensować nieodwracalne straty w pierwszych cyklach pracy.
Prototyp łączy katodę z tlenku litowo-wanadowego z elektrolitem stałym typu LiPON. Katoda ma grubość około 2 mikrometrów, a całe ogniwo — 2,77 mikrometra.
Po 100 cyklach ładowania i rozładowywania ogniwo osiągnęło objętościową gęstość energii 235,13 Wh/l. Testy przeprowadzono przy bardzo małym prądzie, z szybkością ładowania 0,01 C.
Gęstość energii nie wystarcza jeszcze do zastosowania w samochodach elektrycznych
Choć wynik pokazuje nowe podejście do opracowywania akumulatorów ze stałym elektrolitem, 235 Wh/l nie jest wartością wyjątkową na tle gęstości energii osiąganych dziś przez akumulatory samochodów elektrycznych.
Współczesne akumulatory litowo-jonowe mogą osiągać na poziomie ogniwa gęstość energii rzędu kilkuset Wh/l. Prototyp z Uniwersytetu Dongguk nie może więc być uznany za bezpośredniego konkurenta akumulatorów do samochodów elektrycznych rozwijanych przez Toyotę, CATL czy innych dużych producentów akumulatorów.
Ważniejsza jest zasada leżąca u podstaw tej konstrukcji. Akumulator bez anody mógłby w przyszłości pozwolić na ograniczenie zużycia materiałów i budowę bardziej kompaktowych ogniw.
W przypadku obecnego prototypu nierozstrzygnięte pozostają jednak kwestie długoterminowej trwałości, ładowania dużym prądem, kosztów produkcji i dostosowania technologii do produkcji akumulatorów na dużą skalę.
Nowe podejście może być szczególnie przydatne w elektronice noszonej, urządzeniach medycznych i małych czujnikach, w których wymiary akumulatora często mają większe znaczenie niż gęstość energii.
Ważny kierunek badań dla europejskiej branży akumulatorowej
Europejscy producenci akumulatorów i koncerny motoryzacyjne inwestują w akumulatory ze stałym elektrolitem, licząc na zwiększenie zasięgu, poprawę bezpieczeństwa i zmniejszenie zależności od konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.
Prace Uniwersytetu Dongguk pokazują jednak, że powodzenie akumulatorów ze stałym elektrolitem nie zależy wyłącznie od nowych elektrolitów. Kontrolowanie procesów na stykach elektrod jest co najmniej równie ważne.
Rzeczywista wartość badania nie tkwi w gęstości energii wynoszącej 235 Wh/l, lecz w możliwości zwiększenia stabilności akumulatora bez anody. Jeśli naukowcom uda się zastosować tę samą zasadę w większych ogniwach i przy wyższych prądach ładowania, może to przyczynić się do rozwoju akumulatorów nowej generacji.
Na razie technologia pozostaje w laboratorium. Zanim będzie można zastosować ją w samochodach elektrycznych, wymaga jeszcze znacznego rozwoju.
