Katóda novej generácie môže urýchliť éru elektromobilov. Klasickú lítium-iónovú batériu prekonáva vo všetkých smeroch
Výskumníci predstavili nový dizajn katódy, ktorý vylepšuje batériu vo všetkých smeroch.
Laboratórium Argonne, líder vo vývoji batériových technológií, predstavil nový “dual-gradient” dizajn katódy lítium-iónovej batérie, ktorý výrazne zvyšuje kapacitu batérie, stabilitu a životnosť, zatiaľ čo znižuje cenu za batériu.
Nový objav má veľký potenciál urýchliť adopciu elektrických vozidiel a batérií pre obnoviteľné zdroje energie. Možnosť uskladniť energiu získanú z obnoviteľných zdrojov by mohlo pomôcť svetu znížiť emisie oxidu uhličitého a tým aj zabrániť najhorším scenárom globálneho otepľovania.
Ešte v roku 2012 sa laboratóriu Argonne podarilo vylepšiť lítium-iónové batérie novou katódou. Išlo o katódu, ktorá sa vyznačovala jemne vyladenou kompozíciou niklu, mangánu a kobaltu. Jemne vyladená kompozícia zabezpečila, že batéria využije pozitívne charakteristiky týchto materiálov.
Elektromobily a obnoviteľná energia
Nikel je kov, ktorý dokáže zvýšiť energetickú hustotu batérie. Na druhú stranu ale môže spôsobiť, že sa povrch stane príliš reaktívny. V batériách väčšinou platí, že sa koncentrácia niklu postupne znižuje z jadra k povrchu. Hlavnou ideou nového výskumu bolo maximalizovať energetickú hustotu batérie a minimalizovať jej reaktivitu. Vysoká energetická hustota batérie dovoľuje výrobu menších a lacnejších batérií.
“Náš nový prelomový materiál predstavuje zlepšenia pre batérie vo všetkých smeroch. Vďaka nemu sa nám podarilo dosiahnuť vyššiu kapacitu, lepšiu stabilitu a toleranciu tepla pri vysokom napätí. Nesmieme ale zabúdať ani na dlhšiu životnosť batérie. Jej vyššia energetická hustota nám dovoľuje vytvárať menšie a lacnejšie batérie, čím by sme mohli urýchliť adaptáciu na elektrické vozidlá,” hovorí Khalil Amine, vedúci tímu pre vývoj batériovej technológie v laboratóriu Argonne.
Častice katódy sa v novom dizajne vyznačujú vrstvenou štruktúrou, ktorá sa stále podobá na štruktúru bežne používaných lítium-iónových batérií. Výskumníci si uvedomili, že ak majú elektromobily nahradiť tradičné vozidlá so spaľovacím motorom, ich batérie musia vedieť operovať pri vyššom napätí a dodať ešte viac energie a ešte väčší dojazd. Popri tom musia ostať stále bezpečné a relatívne lacné.
Neprehliadni
Nové dual-gradient katódy sa vyznačujú dodatočnou “vráskou” v bežne používanom gradientnom dizajne katód. Hlavným rozdielom oproti tradičným lítium-iónovým batériám je to, že obsahujú povrch obohatený o kobalt a interiér takmer úplne bez kobaltu.
Katóda novej generácie
Dual-gradient katóda sa v testoch ukázala oveľa odolnejšia ako pôvodné dizajny laboratória Argonne. Po 500 nabíjacích cykloch batéria s novou katódou stratila len približne 2% svojej kapacity. Na základe týchto testov výskumníci odhadujú, že batéria má výrazne dlhšiu životnosť ako bežne používané lítium-iónové batérie.
Výskumníkom sa zároveň podarilo znížiť celkový obsah kobaltu. To je dobrá správa, pretože kobalt je vzácny a jeho ťažba má výrazný dopad na životné prostredie. Celková koncentrácia kobaltu vo vnútri katódy bola menej ako 2%, oproti bežným 10 až 20%. Výskumníci ale pri tomto nekončia. Ich cieľom je znížiť koncentráciu až na 1%. Vďaka tomu by sa batérie stali oveľa udržateľnejšie, než sú dnes.
Nový dizajn zároveň pomáha batérii ustáť vysoké teploty, čo je kriticky dôležité pri fungovaní pri vysokom napätí.
Nová katóda je prvou, ktorá sa vyznačuje takouto kompozíciou a jej autori dúfajú, že inšpiruje nový smer výskumu katód a spôsobov, ako do nich integrovať rozdielne štruktúry a kompozície.
Katóda by mohla pomôcť k vývoju batérií, ktoré môžeme efektívne použiť na uskladnenie energie získanej z obnoviteľných zdrojov, napríklad z veterných alebo solárnych elektrární. Momentálne ide o sľubné zdroje energie, ktoré by nám mohli pomôcť zbaviť sa závislosti od fosílnych palív. Hlavným problémom ale je, že nie sú úplne spoľahlivé.
Výkon veternej alebo solárnej elektrárne závisí hlavne od poveternostných podmienok. Sú teda dni, kedy vytvoria viac energie ako treba, no sú aj dni, kedy jej vytvoria menej. Batérie by mohli uskladniť nadbytočnú energiu počas dobrých dní a počas tých zlých by sa mohla energia z batérie uvoľniť do elektrickej siete a do domácností.
