Južnokorejski raziskovalci razvili baterijo s trdnim elektrolitom brez anode, debelo le 2,77 mikrometra

Med polnjenjem v bateriji nastane anoda

Študija, objavljena v znanstveni reviji Advanced Energy Materials pod naslovom »Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode«, se osredotoča na nadzor odlaganja litija v baterijah s trdnim elektrolitom. V običajni litij-ionski bateriji sta anoda in katoda ločeni, litijevi ioni pa se med polnjenjem premikajo med njima. Nova zasnova ob izdelavi nima običajne anodne plasti. Med prvim polnjenjem litij preide s katode na tokovni zbiralnik in na njem tvori plast kovinskega litija.

Tak pristop omogoča zmanjšanje velikosti baterije in povečanje količine energije, shranjene na enoto prostornine. Težava pa je neenakomerno odlaganje litija, ki lahko povzroči izgubo kapacitete in notranje kratke stike.

Kositer in ogljik izboljšata stabilnost baterije

Raziskovalci so uporabili bakreni tokovni zbiralnik, ki so mu dodali izjemno tanko vmesno plast iz kositra in ogljika.

Kositer pomaga sprožiti odlaganje litija, ogljik pa prispeva k njegovi enakomernejši porazdelitvi. To zmanjšuje tveganje, da bi med polnjenjem nastale nepravilne litijeve strukture ali da bi litij postal električno izoliran in ne bi več prispeval k shranjevanju energije. Raziskovalci so uporabili tudi predhodno litiranje: sistemu so dodali majhno zalogo litija, ki nadomesti nepovratne izgube v prvih ciklih delovanja.

Prototip združuje katodo iz litijevega vanadijevega oksida s trdnim elektrolitom vrste LiPON. Katoda je debela približno 2 mikrometra, celotna baterijska celica pa 2,77 mikrometra.

Po 100 ciklih polnjenja in praznjenja je celica dosegla prostorninsko energijsko gostoto 235,13 Wh/l. Preizkusi so potekali pri zelo nizkem toku, s hitrostjo polnjenja 0,01 C.

Energijska gostota še ne zadostuje za električna vozila

Čeprav rezultat prikazuje nov pristop k razvoju baterij s trdnim elektrolitom, vrednost 235 Wh/l po merilih današnjih električnih vozil ni izjemna.

Sodobne litij-ionske baterije lahko na ravni celice dosežejo energijsko gostoto več sto Wh/l. Prototipa univerze Dongguk zato ni mogoče šteti za neposrednega tekmeca baterijam za električna vozila, ki jih razvijajo Toyota, CATL in drugi veliki proizvajalci baterij.

Pomembnejše je temeljno načelo zasnove. Zasnova brez anode bi lahko v prihodnje zmanjšala porabo materiala in omogočila kompaktnejše baterijske celice.

Pri sedanjem prototipu pa ostajajo odprta vprašanja dolgoročne vzdržljivosti, polnjenja pri visokem toku, proizvodnih stroškov in prilagoditve tehnologije za obsežno proizvodnjo baterij.

Nov pristop bi bil lahko posebej primeren za nosljivo elektroniko, medicinske naprave in majhne senzorje, pri katerih so mere baterije pogosto pomembnejše od energijske gostote.

Pomembna raziskovalna smer za evropsko baterijsko industrijo

Evropski proizvajalci baterij in avtomobilske skupine vlagajo v baterije s trdnim elektrolitom v upanju, da bodo povečali doseg vozil, izboljšali varnost in zmanjšali odvisnost od običajnih litij-ionskih baterij.

Delo univerze Dongguk pa kaže, da uspeh baterij s trdnim elektrolitom ni odvisen le od novih elektrolitov. Nadzor procesov na mejah med elektrodami in drugimi deli baterije je vsaj enako pomemben.

Prava vrednost študije ni v energijski gostoti 235 Wh/l, temveč v možnosti izboljšanja stabilnosti baterije brez anode. Če bodo raziskovalci lahko isto načelo uporabili pri večjih celicah in višjih polnilnih tokovih, bi to lahko prispevalo k razvoju baterij naslednje generacije.

Za zdaj tehnologija ostaja v laboratoriju. Pred uporabo v električnih vozilih bi jo bilo treba še precej razviti.