Aby elektrická auta mohla ujet na jedno nabití ještě větší vzdálenost, potřebujeme baterie, které v sobě mají mnohem více energie. Rovněž samozřejmě potřebujeme i to, aby nebyly extrémně obtížné. Lithium-kovová baterie je novinkou, kterou teprve nedávno demonstroval Německý tým.
Nová lithium-kovová baterie hustotou výrazně přesahuje významnou referenční hodnotu 500 Wh/kg. Také disponuje schopností zachovat si svůj výkon po dobu stovek nabíjecích cyklů.
Výměna materiálu = 10x více energie
Dnešní lithium-iontové baterie odvádějí skvělou práci při udržování chodu moderního světa, od elektrických vozidel přes chytré telefony až po přenosné počítače. Vědci však vidí spoustu potenciálu, který by se dal odemknout vylepšeními jejich architektury.
Jednou ze slibnějších možností je výměna grafitu použitého v jedné z elektrod baterie za čisté lithium, které pojme až 10krát více energie.
Z tohoto důvodu je lithium považováno za „materiál snů“ některými výzkumníky baterií a může nám pomoci prolomit klíčovou překážku ve skladování energie. Tuto technologii dosud trápily problémy se stabilitou. Hodně z toho souvisí s nepříznivými reakcemi mezi roztokem elektrolytu, který nese ionty lithia, a dvěma elektrodami baterie – katodou a anodou.
Mezi mnoha výzkumnými skupinami pracujícími na řešení tohoto problému je tým z Karlsruhe Institute of Technology a Helmholtz Institute Ulm (HIU). Ti přišli s designem, který tento problém do značné míry obchází.
Výzkum a testování nebyly jednoduché
Výzkumníci začali s tím, co je popsáno jako vrstvená katoda bohatá na nikl (NCM88), chudá na kobalt a komerčně dostupný organický elektrolyt s názvem LP30. Zatímco katoda dosáhla vysoké hustoty energie, brzy se prosadila nestabilita a úložná kapacita se při cyklování baterie snížila.
„V elektrolytu LP30 praskají částice na katodě,“ vysvětluje profesor Stefano Passerini, ředitel HIU. „Uvnitř těchto trhlin elektrolyt reaguje a poškozuje strukturu. Kromě toho se na anodě vytváří silná mechová vrstva obsahující lithium.“
Tým tedy vyměnil elektrolyt LP30 za alternativu, která přinesla výrazné zvýšení výkonu. Tato složka, popsaná jako netěkavý, slabě hořlavý, duální aniontový tekutý elektrolyt (ILE), dokázala, že do značné míry zabrání strukturálním defektům na katodě a zachránila baterii před smrtelnými elektrochemickými reakcemi.
Je lithium-kovová baterie budoucnost?
Výsledky se právem označují jako „pozoruhodné“. Lithium-kovová baterie s touto architekturou měla energetickou hustotu 560 Wh/kg. Pro kontext – existují výzkumná konsorcia, která se věnují prolomení prahové hodnoty hustoty 500 Wh/kg, aby mohla pohánět elektrická vozidla nové generace. Nejlepší dnešní lithium-iontové baterie ve své třídě mají hustotu energie 250 až 300 Wh/kg.
Pokud jde o životnost, první pokusy lithium-kovové baterie fungovaly také velmi dobře. Začínalo se s počáteční kapacitou 214 mAh/g v katodovém materiálu. Baterie zachovala až 88 % své kapacity po dobu 1 000 nabíjecích cyklů.