Japonci chystajú prelom. Bežná batéria padla na 62,7 %, upravená zostala po 1000 cykloch na 95,6 %

Vedci z Japonska objavili spôsob, ako výrazne spomaliť degradáciu lítiových batérií bez nutnosti meniť ich tradičnú grafitovú anódu. Špeciálna elektrolytická prísada pomohla testovaným článkom zachovať po 1 000 nabíjacích cykloch až 95,6 % pôvodnej kapacity, zatiaľ čo neupravené články klesli iba na 62,7 %.

Životnosť lítiových batérií patrí medzi kľúčové parametre pri smartfónoch, notebookoch, elektromobiloch aj veľkokapacitných úložiskách energie. Kapacita každého článku sa totiž s pribúdajúcimi cyklami postupne znižuje a jedným z hlavných problémov je degradácia rozhrania medzi elektródou a elektrolytom.

Práve na túto oblasť sa zamerali vedci z Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Vyvinuli chemickú zlúčeninu s názvom pentafluorofenyl tiopfén imín, skrátene FPTI, ktorá má zlepšiť ochrannú vrstvu vytvárajúcu sa na povrchu grafitovej anódy počas prvých nabíjacích cyklov.

Vrstva je známa ako SEI, teda solid electrolyte interphase. Hoci je veľmi tenká, pre fungovanie batérie je mimoriadne dôležitá. Umožňuje prechod lítiových iónov medzi elektrolytom a elektródou, pričom zároveň obmedzuje nežiaduce chemické reakcie.

Keď je SEI nestabilná, dochádza k spotrebe aktívneho lítia a postupnému rastu vnútorného odporu. Výsledkom je rýchlejšia strata kapacity a kratšia životnosť článku.

FPTI má tento problém riešiť už na začiatku života batérie. Výskumníci ho pridali do bežného elektrolytu v koncentráciách 2 a 4 miligramy na mililiter. Zistili, že zlúčenina reaguje prednostne počas prvých cyklov a pomáha vytvoriť stabilnejšiu a vodivejšiu SEI vrstvu na grafite.

Fluór vytvára na grafite odolnejšiu ochranu

Výsledky naznačujú, že FPTI mení chemické zloženie ochrannej vrstvy na anóde. Do SEI sa začleňujú zlúčeniny odvodené od síry a imínovej časti molekuly, zatiaľ čo fluorovaná časť podporuje vznik vrstvy bohatej na fluorid lítny.

Výsledkom je citeľne nižší elektrický odpor. Pri vyššej koncentrácii FPTI klesol odpor samotnej SEI zo 7,6 ohmu na 2,2 ohmu. Odpor spojený s prenosom náboja sa znížil zo 41,8 na 19,8 ohmu a zároveň sa zlepšila difúzia lítiových iónov.

Ešte výraznejší rozdiel sa ukázal pri dlhodobom cyklovaní. Grafitové články s 2 mg/ml FPTI si po 1 000 cykloch zachovali 89,4 % maximálnej kapacity. Pri koncentrácii 4 mg/ml to bolo až 95,6 %. Kontrolný článok bez prísady zostal iba na úrovni 62,7 % a výraznejší pokles kapacity sa pri ňom začal prejavovať približne po 350 cykloch.

Reprofoto: ProLogium 輝能科技股份有限公司/YouTube

To je zaujímavé najmä preto, že výskumníci nemusia meniť samotný grafit. Ten patrí medzi najrozšírenejšie materiály používané v anódach lítiovo-iónových batérií. Úprava elektrolytu alebo povrchu elektródy tak môže byť potenciálne jednoduchšou cestou než vývoj úplne nového typu anódy.

Prvá verzia však nefungovala v celej batérii

Výskum zároveň ukázal, že novú chemikáliu nemožno jednoducho pridať do každého článku a očakávať rovnaký výsledok. Keď vedci použili FPTI priamo v kompletnej batérii s katódou NMC811 a grafitovou anódou, zvýšil sa odpor na strane katódy a celkový výkon sa zhoršil.

Výskumníci preto zvolili odlišný postup. FPTI použili iba na predbežnú úpravu grafitovej anódy. Najskôr vytvorili vylepšenú SEI počas počiatočného cyklovania a následne zostavili kompletný článok už so štandardným elektrolytom.

Práve tento krok priniesol zaujímavé výsledky aj z hľadiska energetickej hustoty. Kompletný článok s grafitovou anódou upravenou pomocou 4 mg/ml FPTI dosiahol približne 233 Wh/kg. Pri koncentrácii 2 mg/ml to bolo asi 192 Wh/kg, zatiaľ čo neupravený článok dosiahol iba približne 130 Wh/kg.

Výskum tak ukazuje dôležitú vec: prísada, ktorá funguje výborne na jednej elektróde, nemusí byť automaticky vhodná pre celý článok. V tomto prípade sa ako perspektívnejší ukázal cielený prístup, pri ktorom sa upraví konkrétne rozhranie bez toho, aby chemikália pôsobila v celej batérii.

Cesta k dlhšej životnosti bez zmeny základnej konštrukcie

Potenciál podobného riešenia je značný. Predĺženie životnosti batérií by mohlo znížiť potrebu ich častej výmeny a zvýšiť využiteľnosť zariadení aj elektromobilov počas dlhšieho obdobia. Zároveň by mohlo pomôcť zachovať výkon článkov aj po stovkách či tisícoch cyklov.

Na komerčné nasadenie však technológia ešte nie je pripravená. Samotní výskumníci upozorňujú, že potrebné budú testy na väčších článkoch a v širšom rozsahu prevádzkových podmienok. Laboratórny výsledok po 1 000 cykloch je veľmi zaujímavý, no pri skutočných batériách treba overiť správanie pri rôznych teplotách, rýchlostiach nabíjania a dlhšej prevádzke.

Napriek tomu ide o pozoruhodný smer vývoja. Namiesto hľadania úplne nového materiálu môže budúcnosť lítiových batérií spočívať aj v presnom riadení chemických procesov na ich povrchu. FPTI ukazuje, že aj relatívne malý zásah do rozhrania medzi grafitom a elektrolytom môže mať výrazný vplyv na životnosť a energetické vlastnosti celého článku.

Čítajte viac z kategórie: Novinky