Auta elektryczne mają coraz większy zasięg. Przełomem mogą być akumulatory litowo-metalowe
Paweł Rożyński
Zespół amerykańskich naukowców znalazł prosty sposób na wydłużenie żywotności baterii litowo-metalowych. Trzeba je rozładować całkowicie, a następnie dać im odpocząć przez kilka godzin. – Szukaliśmy najłatwiejszego, najtańszego i najszybszego sposobu na poprawę żywotności obiegu litowo-metalowego – mówi Wenbo Zhang, doktorant w dziedzinie materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda w USA i współautor artykułu w „Nature”. – Odkryliśmy, że dzięki pozostawieniu akumulatora w stanie rozładowanym można odzyskać utraconą pojemność i wydłużyć cykl życia.
Czas akumulatory litowo-metalowe
Zdaniem Zhanga ulepszenie akumulatorów można osiągnąć poprzez zwykłe zmiany w oprogramowaniu do zarządzania akumulatorami. I to bez dodatkowych kosztów lub zmian w sprzęcie, materiałach lub organizacji produkcji.
Konwencjonalny akumulator litowo-jonowy składa się z dwóch elektrod – anody grafitowej i katody z tlenku litu – oddzielonych ciekłym lub stałym elektrolitem, który transportuje jony litu tam i z powrotem. W baterii litowo-metalowej anoda grafitowa jest zastępowana galwanizowaną litowo-metalową, co umożliwia przechowywanie dwukrotnie większej energii na tej samej przestrzeni. Anoda litowo-metalowa waży również mniej niż anoda grafitowa, co jest ważne w przypadku pojazdów elektrycznych. Baterie litowo-metalowe mogą pomieścić co najmniej o jedną trzecią więcej energii niż akumulatory litowo-jonowe.
– Samochód wyposażony w akumulator litowo-metalowy miałby dwukrotnie większy zasięg niż z litowo-jonowym o tej samej wielkości. To około 600 mil na jednym ładowaniu w porównaniu z 300 milami w obecnych elektrykach – mówi współautor artykułu Philaphon Sayavong, doktorant chemii na Uniwersytecie Stanforda.
Problem w tym, że technologia litowo-metalowa ma poważną wadę. Akumulator szybko traci zdolność do magazynowania energii po niewielu cyklach ładowania i rozładowywania – co jest wysoce niepraktyczne dla kierowców, którzy oczekują, że ładowalne samochody elektryczne będą działać przez lata.
Dzieje się tak, ponieważ lit metaliczny i inne związki wewnątrz baterii reagują ze sobą i bardzo szybko ulegają degradacji po rozładowaniu baterii. Gdy akumulator jest rozładowany, kawałki litu metalicznego wielkości mikronów zostają odizolowane i uwięzione w tzw. interfazie stałego elektrolitu (SEI), gąbczastej matrycy, która tworzy się w miejscu styku anody i elektrolitu.
– Matryca SEI to zasadniczo rozłożony elektrolit – wyjaśnił Zhang. – Otacza odizolowane kawałki litu metalicznego oderwanego od anody i uniemożliwia im udział w jakichkolwiek reakcjach elektrochemicznych. Z tego powodu uważamy izolowany lit za „martwy”.
Wielokrotne ładowanie i rozładowywanie powoduje gromadzenie się dodatkowego martwego litu, powodując szybką utratę pojemności akumulatora. Naukowcy zaproponowali skomplikowane receptury chemiczne i szczegółowe techniki elektryczne, aby zatrzymać tę degradację.
Bateria musi odpocząć
Jednak wcześniejsze badania przeprowadzone przez Savayonga i współpracowników wykazały, że matryca SEI zaczyna się rozpuszczać sama, gdy bateria jest nieaktywna. Naukowcy postanowili zbadać tę kwestię dokładniej. – Pierwszym krokiem było całkowite rozładowanie akumulatora, aby nie przepływał przez niego prąd – mówi Zhang.
Okazało się, że jeśli bateria pozostaje w stanie rozładowania przez godzinę, część matrycy SEI otaczającej martwy lit rozpuszcza się. Kiedy więc ładuje się znów baterię, martwy lit ponownie połączy się z anodą, ponieważ na drodze jest mniej stałej masy. – Wcześniej myśleliśmy, że ta utrata energii jest nieodwracalna – powiedział inny z autorów badania, profesor materiałoznawstwa na Uniwersytecie Stanforda, Yi Cui. – Nasze badanie wykazało jednak, że możemy odzyskać utraconą pojemność, po prostu pozwalając odpocząć rozładowanemu akumulatorowi.
Korzystając z poklatkowej mikroskopii wideo, naukowcy wizualnie potwierdzili rozpad resztkowego SEI, a następnie odzyskanie martwego litu podczas fazy spoczynku.
Przeciętny amerykański kierowca spędza za kierownicą około godziny dziennie, więc rozładowanie i odpoczynek akumulatora samochodowego przez kilka godzin nie jest wielkim problemem.
Może się za to pojawić inny problem – niedługo może zabraknąć litu. Dlatego na świecie naukowcy pracują już nad bateriami, które będą zawierały mniej tego pierwiastka albo wcale, np. przepływowymi, magnezowymi, żelazowo-powietrznymi, sodowo-siarkowymi, a nawet wykorzystującymi pozyskiwaną z drzew ligninę.
