Pevné batérie získavajú kvapalinovú rýchlosť. Nový vrstvený elektrolyt posúva ich limity
Čínsky tím vyvinul vrstvený elektrolyt pre pevné batérie s vodivosťou 10,2 mS/cm, ktorý funguje bez vysokého stohového tlaku. Nová architektúra sľubuje nižšiu hmotnosť, vyššiu bezpečnosť a jednoduchšiu výrobu, no otázkou zostáva správanie v extrémnych teplotách.
Pevné batérie majú vyriešiť požiare aj vyššiu hustotu energie. Lenže v praxi ich brzdí krehký materiál a nutnosť tlačiť články silou desiatok megapascalov. To je tlak porovnateľný s tým, aký vzniká pod niekoľkotonovým lisom. Čínsky tím teraz ukázal vrstvený elektrolyt s vodivosťou 10,2 mS/cm pri 25 °C, ktorý fungoval bez masívnych oceľových svoriek, píše Interesting Engineering. Čím vyššia vodivosť, tým rýchlejšie sa lítiové ióny pohybujú medzi elektródami a tým efektívnejšie sa batéria nabíja aj vybíja. To je rozdiel, ktorý môže zmeniť konštrukciu celého balíka.
Inšpirácia prírodou
Pri návrhu sa inšpirovali perleťou z mušlí. Tá nevzniká z jedného kusu materiálu. Tvrdé minerálne vrstvy sa v nej striedajú s mäkkými proteínovými vrstvami. Práve toto striedanie dáva materiálu kombináciu pevnosti a pružnosti, ktorá by sa inak vzájomne vylučovala.
Tento princíp preniesli do batérie. Anorganické nanosheety LixMyPS3 (LiMPS, kde M predstavuje Cd alebo Mn) vytvárajú „tehly“, cez ktoré sa lítiové ióny pohybujú rýchlo. Ide o vrstvy, ktoré vedú náboj podobne ako diaľnica vedie autá. Polymérne vrstvy z polyetylénoxidu (PEO) fungujú ako „malta“, ktorá tlmí napätie a drží štruktúru pokope.
„Kontinuálne superiónové dráhy v biomimetickej pružnej štruktúre umožňujú koexistenciu vysokej vodivosti a mechanickej pružnosti,“ hovoria autori štúdie.
V praxi to znamená, že materiál už nemusí voliť medzi rýchlosťou vedenia iónov a mechanickou odolnosťou.
Riešenie „dýchania“ batérie
Lítiová batéria počas nabíjania a vybíjania mení objem. Elektródy sa rozpínajú a zmršťujú a batéria v podstate „dýcha“. Pri bežných pevných elektrolytoch tento pohyb spôsobí praskliny. Keď sa medzi vrstvami vytvorí medzera, ióny stratia súvislú cestu a výkon začne klesať. Kontakt sa stratí a článok postupne zlyhá.
Neprehliadni
Preto výrobcovia používajú vysoký tlak, niekedy desiatky až stovky megapascalov. Hovorí sa mu stohový tlak, pretože drží jednotlivé vrstvy článku pevne „nastohované“ na sebe.
Nový kompozit sa správa inak. Pružná polymérová vrstva absorbuje objemové zmeny podobne ako guma. Elektrolyt sa prispôsobí pohybu elektród bez toho, aby popraskal. V testoch články Li||LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 pri tlaku pod 0,5 MPa udržali 92 % kapacity po 600 cykloch. Vreckové články Li||LiFePO4 fungovali pri tlaku pod 0,1 MPa.
Výskumníci zdôraznili, že nový materiál „umožňuje prevádzku bez potreby vysokého stohového tlaku“. Menej tlaku znamená menej ocele, menej hmotnosti a jednoduchšiu montáž batériového balíka.
Vodivosť ako kvapalina, bezpečnosť ako pevný materiál
Hodnota 10,2 mS/cm pri izbovej teplote sa približuje kvapalným elektrolytom. Ide o mieru toho, ako ľahko sa cez materiál pohybujú nabité častice. Manganézová verzia dosiahla 6,1 mS/cm, čo potvrdilo funkčnosť konceptu aj pri inej chémii.
Sulfidové elektrolyty však často reagujú s vlhkosťou a uvoľňujú sírovodík (H₂S), čo je toxický plyn so zápachom po pokazených vajciach. Tento nový kompozit si po siedmich dňoch vo vlhkom prostredí zachoval vysokú vodivosť a uvoľnil len zanedbateľné množstvo plynu. To znižuje riziko pri výrobe aj skladovaní.
Teplotné okno môže predstavovať problémy
Výsledky pri 25 °C vyzerajú výborne. Pre elektromobil však rozhodujú extrémy. Zima na Slovensku prinesie -20 °C. Rýchlonabíjanie v lete môže zvýšiť teplotu článku na 60 °C.
Polymér PEO má pri nízkych teplotách tendenciu tuhnúť. Keď stvrdne, vodivosť klesne, pretože ióny sa pohybujú pomalšie. To je potenciálny háčik, ktorý bude treba vyriešiť. Ak tím dokáže upraviť kompozit tak, aby si zachoval vysokú vodivosť aj v širokom teplotnom rozsahu, pevné batérie sa priblížia masovej realite.
Ako môže nižší tlak zmeniť konštrukciu batériového balíka
Vrstvená architektúra inšpirovaná perleťou rieši tri problémy naraz, vysokú vodivosť, mechanickú pružnosť a nižšiu potrebu tlaku. To môže zjednodušiť výrobu batériových balíkov a znížiť náklady.
Cesta od laboratória k sériovej výrobe však vedie cez testovanie životnosti, bezpečnosti a správania v extrémnych podmienkach. Výsledky zatiaľ vyzerajú sľubne.
Ak sa podarí rozšíriť teplotné okno a potvrdiť stabilitu vo veľkých článkoch, pevné batérie sa posunú bližšie k elektromobilom a energetickým úložiskám. Tento výskum ukazuje, že kompromis medzi rýchlosťou a pružnosťou nemusí byť nevyhnutný. A práve to je pre budúcnosť batérií podstatné.
