Cercetătorii sud-coreeni au dezvoltat o baterie cu electrolit solid, fără anod, cu o grosime de doar 2,77 micrometri
Cercetătorii de la Universitatea Dongguk din Coreea de Sud au dezvoltat un prototip de baterie cu electrolit solid, fără anod, care a atins o densitate energetică de 235 Wh/l după 100 de cicluri de încărcare. Cu o grosime de doar 2,77 micrometri, bateria folosește un nou strat intermediar de staniu și carbon, care contribuie la reducerea pierderilor de litiu și la îmbunătățirea fiabilității. Nu reprezintă încă o descoperire majoră pentru bateriile vehiculelor electrice, dar această abordare ar putea contribui la rezolvarea uneia dintre cele mai importante probleme tehnice ale bateriilor cu electrolit solid.
Bateria își formează anodul în timpul încărcării
Studiul, publicat în revista științifică Advanced Energy Materials sub titlul „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode”, se concentrează pe controlul depunerii litiului în bateriile cu electrolit solid. Într-o baterie litiu-ion convențională, anodul și catodul sunt separate, iar ionii de litiu se deplasează între ele în timpul încărcării. Noul design nu are un strat anodic convențional în momentul fabricării. La prima încărcare, litiul se deplasează de la catod către colectorul de curent, pe care formează un strat de litiu metalic.
Această abordare permite reducerea dimensiunilor bateriei și creșterea cantității de energie stocate pe unitatea de volum. Problema constă însă în depunerea neuniformă a litiului, care poate provoca pierderi de capacitate și scurtcircuite interne.
Staniul și carbonul îmbunătățesc stabilitatea bateriei
Soluția cercetătorilor folosește un colector de curent din cupru, la care au adăugat un strat intermediar ultrafin de staniu și carbon.
Staniul ajută la inițierea depunerii litiului, iar carbonul contribuie la distribuirea lui mai uniformă. Astfel, scade riscul ca în timpul încărcării să se formeze structuri neregulate de litiu sau ca o parte din litiu să devină izolată electric și să nu mai contribuie la stocarea energiei. Cercetătorii au folosit și prelitiarea, adăugând sistemului o mică rezervă de litiu pentru a compensa pierderile ireversibile din primele cicluri de funcționare.
Prototipul combină un catod din oxid de litiu și vanadiu cu un electrolit solid de tip LiPON. Catodul are o grosime de aproximativ 2 micrometri, iar întreaga celulă a bateriei măsoară 2,77 micrometri în grosime.
După 100 de cicluri de încărcare și descărcare, celula a atins o densitate energetică volumetrică de 235,13 Wh/l. Testele au fost efectuate la un curent foarte mic, cu o rată de încărcare de 0,01 C.
Densitatea energetică nu este încă suficientă pentru vehiculele electrice
Deși rezultatul demonstrează o nouă abordare în dezvoltarea bateriilor cu electrolit solid, valoarea de 235 Wh/l nu este excepțională raportat la standardele vehiculelor electrice actuale.
Bateriile litiu-ion moderne pot atinge, la nivel de celulă, densități energetice de câteva sute de Wh/l. Prin urmare, prototipul de la Dongguk nu poate fi considerat un concurent direct al bateriilor pentru vehicule electrice dezvoltate de Toyota, CATL sau alți mari producători de baterii.
Mai important este principiul de proiectare care stă la bază. O arhitectură fără anod ar putea reduce consumul de materiale și ar putea permite, în viitor, realizarea unor celule de baterie mai compacte.
În cazul prototipului actual, rămân însă întrebări privind durabilitatea pe termen lung, încărcarea la curenți mari, costurile de producție și adaptarea tehnologiei pentru producția de baterii la scară largă.
Noua abordare ar putea fi deosebit de potrivită pentru dispozitive electronice purtabile, dispozitive medicale și senzori de mici dimensiuni, unde dimensiunile bateriei sunt adesea mai importante decât densitatea energetică.
O direcție importantă de cercetare pentru industria europeană a bateriilor
Producătorii europeni de baterii și grupurile auto investesc în baterii cu electrolit solid, în speranța că vor crește autonomia, vor îmbunătăți siguranța și vor reduce dependența de bateriile litiu-ion convenționale.
Lucrarea Universității Dongguk arată totuși că succesul bateriilor cu electrolit solid nu depinde doar de noi electroliți. Controlul proceselor de la interfețele electrozilor este cel puțin la fel de important.
Adevărata valoare a studiului nu constă în densitatea energetică de 235 Wh/l, ci în posibilitatea de a face mai stabilă o baterie fără anod. Dacă cercetătorii vor putea aplica același principiu unor celule mai mari și la curenți de încărcare mai ridicați, acesta ar putea contribui la dezvoltarea bateriilor de nouă generație.
Deocamdată, tehnologia rămâne în laborator. Ar fi necesare dezvoltări suplimentare substanțiale înainte ca aceasta să poată fi utilizată în vehicule electrice.
