Výskumníci z juhokórejského Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) predstavili nový typ gélového elektrolytu, ktorý by mohol dramaticky predĺžiť dojazd elektromobilov aj životnosť ich batérií. Podľa publikovaných výsledkov dokáže tento materiál zvýšiť energetickú kapacitu článkov až 2,8-násobne a zároveň obmedziť degradáciu tak výrazne, že životnosť batérie môžu predĺžiť takmer trojnásobne.

Ide o prístup, ktorý by mohol zmeniť smer vývoja vysokoenergetických batérií pre elektromobilitu. Na tému upozornil Interesting Engineering.

Rieši najväčší problém vysokonapäťových batérií

Výrobcovia elektromobilov sa dnes snažia z batérií vyžmýkať čo najviac energie zvyšovaním pracovného napätia nad hranicu približne 4,4 V. Teoreticky platí, že čím vyššie napätie, tým viac energie článok uloží. Lenže vysokonapäťová chémia má svoju daň, najmä ak ide o katódy bohaté na nikel. Pri zvýšenom napätí sa povrch katódy stáva nestabilným a uvoľňuje kyslík, ktorý sa mení na vysoko reaktívne formy označované ako ROS (Reactive Oxygen Species). Tie vrátane singletového kyslíka (¹O₂) napádajú elektrolyt, narúšajú mriežku katódy a môžu spôsobiť tvorbu plynov, ktoré zvnútra nafukujú článok. Výsledkom sú bezpečnostné riziká aj rýchla kapacitná degradácia.

Tím UNIST preto vyvinul gélový polymerný elektrolyt An-PVA-CN, ktorý tento problém rieši priamo pri jeho zdroji. Ide o materiál založený na antracéne a polymérnych reťazcoch s nitrilovými skupinami, ktoré spolu vytvárajú mechanizmus dvojitej ochrany.

„Bodyguard kyslíka“ a ochranca niklu v jednom

Antracén v elektrolyte funguje ako ochranný štít na dvoch úrovniach. Primárne sa viaže na nestabilný povrchový kyslík na katóde, čím zabráni jeho úniku a premene na ROS. Zároveň dokáže zachytávať už vzniknuté reaktívne kyslíkové druhy a neutralizovať ich skôr, než poškodia elektrolyt. Tým sa eliminuje problém, ktorý vedci prirovnávajú k „korózii batérie na steroidoch“.

Nitrilové skupiny v polyméri sa zas viažu na nikel v katódach s vysokým obsahom Ni, čím bránia jeho rozpúšťaniu a štrukturálnemu kolapsu pri vysokom napätí. Výsledkom je menej praskania, pomalšie starnutie a nižší pokles kapacity.

Podľa údajov výskumného tímu si batéria s gélovým elektrolytom dokázala po 500 nabíjacích cykloch pri napätí 4,55 V udržať 81 % pôvodnej kapacity. Zároveň dramaticky kleslo množstvo generovaných plynov, napučanie článku dosiahlo len približne 13 µm v porovnaní s približne 85 µm pri bežných kvapalných elektrolytoch. To predstavuje takmer šesťnásobné zníženie tvorby plynov, čo je rozhodujúce pre bezpečnosť aj dlhodobú stabilitu.

Cesta k bezpečnejším a ľahším batériám pre EV aj lietadlá

Výsledky potvrdzujú, že cesta k spoľahlivým vysokoenergetickým batériám nemusí viesť iba cez zmeny katódových materiálov. Rovnako dôležité je navrhnúť elektrolyt tak, aby fungoval ako strážca kyslíkovej stability. Práve tento princíp by mohol otvoriť dvere k ľahším batériovým systémom pre letecký priemysel, dlhšie fungujúcim energetickým úložiskám a samozrejme aj k elektromobilom s výrazne vyšším dojazdom.

„Táto štúdia ukazuje, že reakcie kyslíka vo vysokonapäťových batériách možno kontrolovať už pri návrhu elektrolytu. Tento princíp by sa mohol uplatniť pri vývoji ľahkých lítiových batérií pre letectvo aj veľkokapacitné energetické systémy,“ vysvetlil profesor Hyun-Kon Song z UNIST.

Čítajte viac z kategórie: Elektromobilita