Aby elektrické autá mohli prejsť na jedno nabitie ešte väčšiu vzdialenosť, potrebujeme batérie, ktoré v sebe majú oveľa viac energie. Rovnako samozrejme potrebujeme aj to, aby neboli extrémne ťažké. Lítium-kovová batéria je novinkou, ktorú len nedávno demonštroval Nemecký tím.
Nová lítium-kovová batéria hustotou výrazne presahuje významnú referenčnú hodnotu 500 Wh/kg. Taktiež disponuje schopnosťou zachovať si svoj výkon počas stoviek nabíjacích cyklov.
Výmena materiálu = 10x viac energie
Dnešné lítium-iónové batérie odvádzajú skvelú prácu pri udržiavaní chodu moderného sveta, od elektrických vozidiel cez smartfóny až po prenosné počítače. Vedci však vidia veľa potenciálu, ktorý by sa dal odomknúť vylepšeniami ich architektúry.
Jednou zo sľubnejších možností je výmena grafitu použitého v jednej z elektród batérie za čisté lítium, ktoré pojme až 10-krát viac energie.
Z tohto dôvodu je lítium považované za „materiál snov“ niektorými výskumníkmi batérií a môže nám pomôcť prelomiť kľúčovú prekážku v skladovaní energie. Túto technológiu doteraz trápili problémy so stabilitou. Veľa z toho súvisí s nepriaznivými reakciami medzi roztokom elektrolytu, ktorý nesie ióny lítia, a dvoma elektródami batérie – katódou a anódou.
Medzi mnohými výskumnými skupinami pracujúcimi na riešení tohto problému je tím z Karlsruhe Institute of Technology a Helmholtz Institute Ulm (HIU). Tí prišli s dizajnom, ktorý tento problém do značnej miery obchádza.
Výskum a testovanie neboli jednoduché
Výskumníci začali s tým, čo je opísané ako vrstvená katóda bohatá na nikel (NCM88), chudobná na kobalt a komerčne dostupný organický elektrolyt s názvom LP30. Zatiaľ čo katóda dosiahla vysokú hustotu energie, čoskoro sa presadila nestabilita a úložná kapacita sa pri cyklovaní batérie znížila.
„V elektrolyte LP30 praskajú častice na katóde,“ vysvetľuje profesor Stefano Passerini, riaditeľ HIU. „Vo vnútri týchto trhlín elektrolyt reaguje a poškodzuje štruktúru. Okrem toho sa na anóde vytvára hrubá machová vrstva obsahujúca lítium.“
Tím teda vymenil elektrolyt LP30 za alternatívu, ktorá priniesla výrazné zvýšenie výkonu. Táto zložka, opísaná ako neprchavý, slabo horľavý, duálny aniónový tekutý elektrolyt (ILE), dokázala, že do značnej miery zabráni štrukturálnym defektom na katóde a zachránila batériu pred smrteľnými elektrochemickými reakciami.
Je lítium-kovová batéria budúcnosť?
Výsledky sa právom označujú ako „pozoruhodné“. Lítium-kovová batéria s touto architektúrou mala energetickú hustotu 560 Wh/kg. Pre kontext – existujú výskumné konzorciá, ktoré sa venujú prelomeniu prahovej hodnoty hustoty 500 Wh/kg, aby mohli poháňať elektrické vozidlá novej generácie. Najlepšie dnešné lítium-iónové batérie vo svojej triede majú hustotu energie 250 až 300 Wh/kg.
Pokiaľ ide o životnosť, prvé pokusy lítiovo-kovovej batérie fungovali taktiež veľmi dobre. Začínalo sa s počiatočnou kapacitou 214 mAh/g v katódovom materiáli. Batéria zachovala až 88% svojej kapacity počas 1 000 nabíjacích cyklov.