Vývoj elektromobilů dosáhl dalšího milníku. Vědcům se podařilo výrazně vylepšit lithium-kovové baterie

Vědcům z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), výzkumného centra spadajícího pod americké ministerstvo energetiky, se podařilo výrazně prodloužit životnost lithium-kovové baterie. Pro další rozvoj elektromobility se jedná o důležitý krok, protože razí cestu k lehčím, levnějším a trvanlivějším bateriím pro elektromobily budoucnosti. O úspěchu informoval na konci června časopis Nature Energy.

Vědci v současné době zkoumají celou škálu možností., jak zvýšit kapacitu bateriových článků pro elektromobily. Jedním z řešení, které je již takříkajíc na obzoru, jsou lithium-kovové baterie. Tyto baterie by měly dodávat téměř dvojnásobnou energii, než jakou poskytují jejich dnes běžně používané lithium-iontové protějšky, a navíc by měly být i lehčí. Při laboratorních testech, které se až doposud prováděly, však vždy nastaly vážné technické potíže a lithium-kovové baterie tak dosahovaly pouze zlomku životnosti lithium-iontových baterií.

Nyní se však týmu vědců z PNNL povedlo vytvořit lithium-kovovou baterii, která vydrží 600 cyklů, což je mnohem déle, než se dosud podařilo dosáhnout. I když je to stále výrazně méně, než kolikrát lze nabít klasické lithium-iontové baterie – ty totiž obvykle mají životnost nejméně 1 000 cyklů –, je třeba vzít v úvahu, že tento rozdíl by do značné míry mělo kompenzovat to, že vozidla s lithium-kovovou baterií by měla dojet na jedno nabití výrazně dále.

Životnost překvapivě prodlužují tenké lithiové proužky

Tým vědců z PNNL přišel na poměrně překvapivý způsob, jak prodloužit životnost baterie. Místo anod obsahujících větší množství lithia použil jeho velmi tenké proužky – o tloušťce pouhých 20 mikronů, což je mnohem méně než tloušťka lidského vlasu.

„Mnoho lidí si myslelo, že delší životnost baterie zajistí silnější vrstva lithia,“ uvedla k závěrům výzkumu Jie Xiao, která je spolu se svým kolegou Jun Liu, ředitelem konsorcia Battery500, jež spadá pod PNNL, autorkou výše zmíněného článku. „Není to ale vždy pravda. Každá lithium-kovová baterie má totiž svou optimální tloušťku v závislosti na její energetické hustotě a designu,“ dodala.

Lithium-kovová baterie vytvořená týmem Battery500 má hustotu energie 350 watthodin na kilogram (Wh/kg) – tedy velmi vysokou, ale nijak extrémně. Hlavním přínosem reportovaného výzkumu je především životnost baterie. I po 600 cyklech si totiž baterie uchovala 76 procent své původní kapacity. Před čtyřmi lety přitom dokázala experimentální lithium-kovová baterie zvládnout pouze 50 cyklů a ještě před dvěma lety to bylo jen 200 cyklů.

Proč je důležitá tloušťka

Rozhodnutí týmu vyzkoušet tenčí lithiové proužky padlo poté, co se mu podařilo detailně porozumět molekulární dynamice anody. Vědci zjistili, že silnější proužky se významně podílejí na selhávání baterie, a to v důsledku složitých reakcí probíhajících ve filmu na anodě označovaných jako pevná elektrolytická mezifáze neboli SEI (Solid Electrolyte Interface). Tato SEI je výsledkem vedlejších reakcí mezi lithiem a elektrolytem. Působí jako důležitý usměrňovač, který umožňuje určitým molekulám přejít z anody do elektrolytu a zpět, přičemž ostatní molekuly drží odděleně. Primárním cílem výzkumníků tedy bylo snížit nežádoucí vedlejší reakce mezi elektrolytem a lithným kovem a ty žádoucí co nejvíce podpořit.

Vědci zjistili, že tenčí lithiové proužky jsou schopny vytvářet něco, co nazvali dobrá SEI, zatímco u silnějších proužků je větší pravděpodobnost, že vznikne škodlivá SEI. Vědci pro tyto jevy začali používat výrazy „mokrá SEI“ a „suchá SEI“. Mokrá varianta udržuje kontakt mezi kapalným elektrolytem a anodou a umožňuje tak vznik důležitých elektrochemických reakcí. V suché verzi kapalný elektrolyt nedosahuje kontaktu s celým lithiem. Dochází k tomu proto, že lithiové proužky jsou silnější a elektrolyt tak musí pronikat do hlubších vrstev, ostatní části lithia pak osychají nebo zůstanou suché. Ŕízením těchto procesů lze podle vědců účinně zabránit výskytu těch reakcí, které podstatným způsobem přispívají k předčasnému konci životního cyklu baterie.

Související články

Vložit komentář...