Fraunhofer stabilizuje anody aluminiowe do baterii litowo-jonowych
Fraunhofer IPA oraz Uniwersytet w Stuttgarcie opracowały nową technologię komórek i elektrod dla anod z aluminium. Ma ona na celu opanowanie wcześniej problematycznych zmian objętości podczas ładowania i rozładowywania, co umożliwi wykorzystanie aluminium jako materiału anodowego w praktycznych zastosowaniach baterii.
Folia aluminiowa pełni rolę materiału aktywnego oraz zbieracza prądu.
Zdjęcie: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Aluminium od dawna jest uważane za potencjalną alternatywę dla grafitu lub krzemu w bateriach litowo-jonowych. Ten materiał jest stosunkowo tani, powszechnie dostępny i oferuje dużą pojemność. Jednak w praktyce ten podejście dotychczas nie powiodło się z powodu obciążeń mechanicznych na elektrodzie: podczas ładowania i rozładowywania aluminium ulega zmianom objętości, które mogą prowadzić do pęknięć, porów oraz ostatecznie do rozproszenia się materiału elektrodowego. Skutkiem tego jest utrata pojemności oraz ograniczony czas pracy baterii.
Institut Fraunhofer IPA ds. Inżynierii Produkcyjnej i Automatyki, we współpracy z Instytutem Fotowoltaiki na Uniwersytecie w Stuttgarcie, opracował i opatentował technologię komórek oraz elektrod, która przeciwdziała tym procesom starzenia. Według badaczy metoda ta stabilizuje materiały podczas pracy i zapewnia ciągły kontakt elektryczny w elektrodzie przez wiele cykli ładowania i rozładowywania.
„Tworzymy technologię baterii, która jest znana od dawna, ale której trudno było sprawić, by była praktycznie użyteczna”, powiedział Kai Peter Birke, dyrektor naukowy ds. systemów i magazynowania baterii oraz wodoru w Fraunhofer IPA, w komunikacie prasowym w języku niemieckim.
Taki podejście całkowicie eliminuje grafit i krzem z anodu. Dzięki temu nie tylko zmniejszy się popyt na grafit, uważany za kluczowy surowiec dla europejskiej przemysłu baterii, ale także znikną problemy związane ze znacznymi zmianami objętości w anodach o wysokim udziale krzemu. Kolejna różnica dotyczy struktury elektrody – materiałem wyjściowym jest dostępna na rynku stopiona folia aluminiowa, która pełni jednocześnie rolę materiału aktywnego i zbieracza prądu. To eliminuje konieczność używania folii miedzianej, typowo stosowanej w konwencjonalnych anodach.
Folia aluminiowa pełni rolę materiału aktywnego i zbieracza prądu
Eliminowany zostaje również oddzielny proces pokrywania, który służy do nanoszenia materiału aktywnego na kolektor prądu. Oczekuje się, że to zmniejszy zarówno koszty procesu, jak i zużycie energii podczas wytwarzania elektrod. Badacze wymieniają tlenek litu-manganu (LMO) jako możliwy katodę. W połączeniu z anodą aluminiową można osiągnąć konkurencyjną gęstość energii. Jednocześnie chemia ogniwa byłaby wolna od fosforanów, co sprawiłoby, że stanowiłoby ono ekonomicznie korzystną alternatywę dla ogniw na bazie fosforanu litu i żelaza.
Anodę aluminiową można również połączyć z rozpuszczalnikami elektrolitu o wysokiej temperaturze zapłonu. Wraz z katodą LMO wolną od fluoru, Fraunhofer twierdzi, że możliwa byłaby nawet struktura ogniwa całkowicie wolna od fluoru, a tym samym od PFAS. Uniknęłoby to również ryzyka powstania fluorowodoru w przypadku pożaru baterii.
Fraunhofer widzi początkowe zastosowania przede wszystkim w obszarach, gdzie bezpieczeństwo, trwałość oraz mała przestrzeń montażowa mają szczególne znaczenie. Należą do nich m.in. zastosowania w przewozie lotniczym, systemy śledzenia kontenerów transportowych oraz specjalistyczne urządzenia medyczne.
Dla późniejszego zastosowania przemysłowego istotne jest to, że chemię komórek można byłoby wytwarzać na istniejących obiektach produkcyjnych. Według instytutu nie byłoby zatem konieczne całkowite przebudowanie infrastruktury produkcyjnej. Zostało już stworzonych kilka prototypów, które obecnie są testowane w Centrum Cyfryzowanej Produkcji Komórek Baterii Fraunhofer IPA. W swoim obecnym komunikacie instytut nie podał jeszcze szczegółów dotyczących konkretnych liczby cykli oraz gęstości energii gravimetrycznej lub objętościowej.
Równocześnie Fraunhofer pracuje nad dalszymi rozwiązaniami mającymi na celu udoskonalenie komórek baterii na poziomie materiałów i architektury. We wrześniu Fraunhofer ISE przedstawił architekturę komórki z znacznie grubszymi elektrodami. Poprzez zmniejszenie udziału zbieraczy prądu gęstość energetyczna może zostać zwiększona o 10 do 15 procent, w zależności od typu i konstrukcji baterii. To rozwiązanie znajduje się jeszcze na etapie badań i musi najpierw udowodnić swoją skalowalność przemysłową.