Južnokorejski istraživači razvili bateriju sa čvrstim elektrolitom bez anode, debljine svega 2,77 mikrometara
Istraživači Univerziteta Dongguk u Južnoj Koreji razvili su prototip baterije sa čvrstim elektrolitom bez anode, čija je energetska gustina nakon 100 ciklusa punjenja iznosila 235 Wh/l. Baterija je debela svega 2,77 mikrometara i koristi novi međusloj od kalaja i ugljenika, koji pomaže da se smanji gubitak litijuma i poboljša pouzdanost. To još nije prekretnica u tehnologiji baterija za električna vozila, ali bi ovaj pristup mogao da pomogne u rešavanju jedne od najvećih tehničkih slabosti baterija sa čvrstim elektrolitom.
Baterija formira anodu tokom punjenja
Studija, objavljena u naučnom 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 litijuma u baterijama sa čvrstim elektrolitom. U konvencionalnoj litijum-jonskoj bateriji anoda i katoda su odvojene, a joni litijuma se tokom punjenja kreću između njih. Nova konstrukcija u trenutku proizvodnje nema uobičajen anodni sloj. Tokom prvog punjenja litijum prelazi sa katode na kolektor struje i na njemu formira sloj metalnog litijuma.
Ovaj pristup omogućava smanjenje dimenzija baterije i povećanje količine energije uskladištene po jedinici zapremine. Problem je, međutim, neravnomerno taloženje litijuma, koje može da izazove gubitak kapaciteta i unutrašnje kratke spojeve.
Kalaj i ugljenik poboljšavaju stabilnost baterije
Rešenje istraživača zasniva se na bakarnom kolektoru struje kojem su dodali izuzetno tanak međusloj od kalaja i ugljenika.
Kalaj pomaže da započne taloženje litijuma, dok ugljenik doprinosi njegovoj ravnomernijoj raspodeli. Time se smanjuje rizik od nastanka nepravilnih litijumskih struktura tokom punjenja, kao i od toga da litijum postane električno izolovan i prestane da doprinosi skladištenju energije. Istraživači su primenili i predlitijumizaciju, dodajući sistemu malu rezervu litijuma kako bi nadoknadili nepovratne gubitke tokom prvih radnih ciklusa.
Prototip kombinuje katodu od litijum-vanadijumovog oksida sa čvrstim elektrolitom tipa LiPON. Katoda je debela približno 2 mikrometra, dok je debljina cele baterijske ćelije 2,77 mikrometara.
Posle 100 ciklusa punjenja i pražnjenja, ćelija je postigla zapreminsku energetsku gustinu od 235,13 Wh/l. Ispitivanje je sprovedeno pri veoma slaboj struji, uz brzinu punjenja od 0,01 C.
Energetska gustina još nije dovoljna za električna vozila
Iako rezultat pokazuje nov pristup razvoju baterija sa čvrstim elektrolitom, 235 Wh/l nije izuzetna vrednost prema današnjim standardima za električna vozila.
Savremene litijum-jonske baterije na nivou ćelije mogu da dostignu energetsku gustinu od nekoliko stotina Wh/l. Zato se prototip Univerziteta Dongguk ne može smatrati neposrednim konkurentom baterijama za električna vozila koje razvijaju Toyota, CATL ili drugi veliki proizvođači baterija.
Važniji je princip na kojem se zasniva ova konstrukcija. Baterija bez anode mogla bi da smanji potrošnju materijala i u budućnosti omogući kompaktnije baterijske ćelije.
Kada je reč o sadašnjem prototipu, međutim, ostaju otvorena pitanja dugotrajnosti, punjenja pri jakim strujama, troškova proizvodnje i prilagođavanja tehnologije proizvodnji baterija u velikom obimu.
Novi pristup mogao bi da bude naročito pogodan za nosive elektronske uređaje, medicinske uređaje i male senzore, kod kojih su dimenzije baterije često važnije od energetske gustine.
Važan pravac istraživanja za evropsku industriju baterija
Evropski proizvođači baterija i automobilske grupacije ulažu u baterije sa čvrstim elektrolitom u nadi da će povećati domet vozila, poboljšati bezbednost i smanjiti zavisnost od konvencionalnih litijum-jonskih baterija.
Rad Univerziteta Dongguk ipak pokazuje da uspeh baterija sa čvrstim elektrolitom ne zavisi samo od novih elektrolita. Kontrola procesa na granicama između elektroda i drugih materijala najmanje je jednako važna.
Prava vrednost studije nije u energetskoj gustini od 235 Wh/l, već u mogućnosti da se poveća stabilnost baterije bez anode. Ako istraživači uspeju da isti princip primene na veće ćelije i pri jačim strujama punjenja, to bi moglo da doprinese razvoju baterija nove generacije.
Za sada je ova tehnologija još u laboratoriji. Biće potreban znatan dalji razvoj pre nego što bude mogla da se koristi u električnim vozilima.
