Juhokórejskí vedci vyvinuli bezanódovú batériu s pevným elektrolytom hrubú len 2,77 mikrometra
Vedci z juhokórejskej univerzity Dongguk vyvinuli prototyp bezanódovej batérie s pevným elektrolytom, ktorý po 100 nabíjacích cykloch dosiahol objemovú hustotu energie 235 Wh/l. Batéria hrubá len 2,77 mikrometra využíva novú medzivrstvu z cínu a uhlíka, ktorá pomáha obmedziť straty lítia a zvýšiť spoľahlivosť. Zatiaľ nejde o prelom v technológii batérií pre elektromobily, tento prístup by však mohol pomôcť riešiť jednu z najväčších technických slabín batérií s pevným elektrolytom.
Batéria si pri nabíjaní vytvára anódu
Štúdia publikovaná vo vedeckom časopise Advanced Energy Materials pod názvom „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode“ sa zameriava na riadenie ukladania lítia v batériách s pevným elektrolytom. V bežnej lítium-iónovej batérii sú anóda a katóda oddelené a pri nabíjaní sa medzi nimi pohybujú lítiové ióny. Nová konštrukcia pri výrobe neobsahuje bežnú anódovú vrstvu. Pri prvom nabíjaní sa lítium presúva z katódy na zberač prúdu, kde vytvára vrstvu kovového lítia.
Tento prístup umožňuje zmenšiť batériu a zvýšiť množstvo energie uloženej v jednotke objemu. Problémom je však nerovnomerné ukladanie lítia, ktoré môže spôsobiť stratu kapacity a vnútorné skraty.
Cín a uhlík zlepšujú stabilitu batérie
Riešenie vedcov využíva medený zberač prúdu, na ktorý pridali ultratenkú medzivrstvu z cínu a uhlíka.
Cín pomáha spustiť ukladanie lítia, zatiaľ čo uhlík prispieva k jeho rovnomernejšiemu rozloženiu. Tým sa znižuje riziko, že pri nabíjaní vzniknú nepravidelné lítiové štruktúry alebo že sa lítium elektricky izoluje a prestane prispievať k ukladaniu energie. Vedci využili aj predbežnú litiáciu: do systému pridali malú zásobu lítia, ktorá má vyrovnať nezvratné straty počas prvých prevádzkových cyklov.
Prototyp kombinuje katódu z oxidu lítia a vanádu s pevným elektrolytom typu LiPON. Katóda má hrúbku približne 2 mikrometre, zatiaľ čo celý batériový článok je hrubý 2,77 mikrometra.
Po 100 cykloch nabitia a vybitia dosiahol článok objemovú hustotu energie 235,13 Wh/l. Testy prebiehali pri veľmi nízkom prúde a nabíjacej rýchlosti 0,01 C.
Hustota energie zatiaľ nestačí pre elektromobily
Hoci výsledok ukazuje nový prístup k vývoju batérií s pevným elektrolytom, hodnota 235 Wh/l nie je podľa štandardov súčasných elektromobilov výnimočná.
Moderné lítium-iónové batérie môžu na úrovni článku dosahovať hustotu energie niekoľko stoviek Wh/l. Prototyp univerzity Dongguk preto nemožno považovať za priameho konkurenta batérií pre elektromobily, ktoré vyvíjajú Toyota, CATL alebo ďalší veľkí výrobcovia batérií.
Dôležitejší je základný princíp konštrukcie. Bezanódová konštrukcia by v budúcnosti mohla znížiť spotrebu materiálu a umožniť výrobu kompaktnejších batériových článkov.
Pri súčasnom prototype však zostávajú otvorené otázky dlhodobej životnosti, nabíjania vysokým prúdom, výrobných nákladov a prispôsobenia technológie veľkovýrobe batérií.
Nový prístup by mohol byť obzvlášť vhodný pre nositeľnú elektroniku, zdravotnícke zariadenia a malé senzory, pri ktorých sú rozmery batérie často dôležitejšie než hustota energie.
Dôležitý smer výskumu pre európsky batériový priemysel
Európski výrobcovia batérií a automobilové koncerny investujú do batérií s pevným elektrolytom v nádeji, že zvýšia dojazd, zlepšia bezpečnosť a znížia závislosť od bežných lítium-iónových batérií.
Práca univerzity Dongguk však ukazuje, že úspech batérií s pevným elektrolytom nezávisí len od nových elektrolytov. Prinajmenšom rovnako dôležité je riadenie procesov na rozhraniach elektród.
Skutočná hodnota štúdie nespočíva v hustote energie 235 Wh/l, ale v možnosti zvýšiť stabilitu bezanódovej batérie. Ak sa vedcom podarí uplatniť rovnaký princíp pri väčších článkoch a vyšších nabíjacích prúdoch, mohlo by to prispieť k vývoju batérií novej generácie.
Technológia zatiaľ zostáva v laboratóriu. Pred použitím v elektromobiloch by si vyžadovala ďalší rozsiahly vývoj.
