Další generace baterií? Keramický elektrolyt otvírá cestu lithium-kovovým bateriím

Michiganská univerzita vyvinula technologii, která by mohla zdvojnásobit kapacitu li-ion baterií. Výsledkem by bylo zvýšení dojezdu elektromobilů a oddálení potřeby nabíjení v přenosných zařízení, to vše při zachování rozměrů baterie. Využitím keramického elektrolytu v pevném skupenství odpadají dřívější problémy lithium-kovových baterií, a to nízká výdrž a zkraty v obvodech. Výsledkem je koncept, který by mohl být další generací baterií.

„Tohle by mohl být game changer, změna paradigmatu v tom, jak baterie funguje,“ uvedl Jeff Sakamoto, docent strojního inženýrství na Michiganské univerzitě.

V letech 1980 byly lithium-kovové baterie, které využívaly tekutý elektrolyt, považovány jako budoucí úspěch, který prorazí na trh v oblasti přenosných mobilních telefonů. Jejich náchylnost ke vznícení ovšem nasměrovala inženýry jinou cestou, a jejich úspěch na trhu byl tak odložen. Důvodem bylo, že lithiové atomy, které se pohybují mezi elektrodami, měly tendenci vytvářet na povrchu elektrody vlákna nazývané dendrity, což vedlo eventuálně ke zkratu a ke vznícení hořlavého elektrolytu.

Lithium-ion baterie, které jsou více stabilní, ale mají menší energetickou hustotu, byly představeny v roce 1991 a rychle se dostaly do popředí a staly se standardem v odvětví. Grafitová anoda v těchto bateriích absorbuje ionty lithia a zabraňuje tvorbě dendritů, zároveň však tato konstrukce snižuje výkon baterie.

Grafit může obsahovat pouze jeden iont lithia na každých šest atomů uhlíku, čímž dosahuje specifické kapacity okolo 350 mAh/g. Lithiový kov v pevném skupenství má specifickou kapacitu 3800 mAh/g. Současné li-ion baterie dosahují maximální energetické hustoty okolo 600 Wh/L. V zásadě by mohly baterie s pevným skupenstvím dosáhnout 1200 Wh/L.

Aby vědci vyřešili problém se vznícením, vytvořili keramickou vrstvu, která stabilizuje povrch tím, že zabraňuje tvorbě dendritů. Tato konstrukce umožňuje využít benefity baterie, tedy energetickou hustotu a vysokou vodivost. Nedochází k degradaci baterie a další výhodou je její zvýšení bezpečnosti. Dřívější testy elektrolytu v pevném skupenství vedly ke zkratům. Důvodem bylo, že lithiový kov se dostával skrz keramický elektrolyt. Vědci tento problém vyřešili pomocí chemické a mechanické úpravy. Tato aplikace poskytne čistý a rovnoměrný povrch pro lithium, čímž účinně potlačí tvorbu dendritů a vláken a zlepší se tím i rychlost nabíjení, tvrdí Sakamoto.

„Přišli jsme s jiným přístupem – fyzikální stabilizací povrchu lithium-kovové baterie keramikou,“ uvedl Sakamoto. „Povrch není hořlavý. Vyrábíme ho při teplotách přes 1800 stupňů Fahrenheita a nevyskytne se tam žádná kapalina, která typicky podporuje vznícení u baterií. Když se zbavíte této tekutiny, zbavíte se vznícení,“ dodal.

„Až do tohoto způsobu konstrukce vyžadovaly baterie k plnému nabití 20 až 50 hodin. S tímto průlomem demonstrujeme, že můžeme nabít baterii za 3 hodiny nebo méně,“ uvedl Sakamoto.

„Mluvíme o desetinásobném zvýšení rychlosti nabíjení v porovnání s předchozími výsledky pro lithium-kovové baterie,“ dodal.

Při testech nebyla zaznamenána viditelná degradace

Nabíjení a dobíjení vede eventuálně ke konci životnosti baterie. Opakovaná výměna iontů mezi katodou a anodou má za důsledek viditelnou degradaci.

„Testovali jsme baterii 22 dní a ta byla stejná na konci testování jako na začátku. Nezaznamenali jsme žádnou degradaci. Nejsme si vědomi žádného dalšího elektrolytu v pevném skupenství, který by fungoval takhle dobře po tento časový úsek,“ uvedl Nathan Taylor uvedl postdoktorandský člen týmu.

Elektrolyty v pevném skupenství umožňují vyrobit články, které by mohly být náhradou stávajících li-ion baterií. K výrobě by mohlo být využito současných technologií. S ověřenými vlastnostmi materiálu začala vědecká skupina vyrábět tenké vrstvy elektrolytu v pevném skupenství potřebné k dosažení stanovených kapacitních cílů.

Zdroj obrázku: Greenoptimistic.com