Fraunhofer stabilizuje anody aluminiowe do baterii litowo-jonowych
Fraunhofer IPA oraz Uniwersytet w Stuttgarcie opracowały nową technologię komórek i elektrod dla anod aluminiowych. Ma ona umożliwić kontrolowanie dotychczas problematycznych zmian objętości podczas ładowania i rozładowywania, dzięki czemu aluminium może być wykorzystywane jako materiał anodowy w praktycznych zastosowaniach baterii.
Folia aluminiowa pełni rolę materiału aktywnego oraz przewodnika prądu.
Zdjęcie: Fraunhofer IPA/Rainer Bez
Aluminium od dłuższego czasu jest uważane za potencjalną alternatywę dla grafitu lub krzemu w bateriach jonowych litu. Ten materiał jest stosunkowo tani, powszechnie dostępny i umożliwia wysokie pojemności. W praktyce jednak ten podejście do tej pory zawodziło z powodu obciążeń mechanicznych elektrody: podczas ładowania i rozładowywania aluminium zmienia swoją objętość, co może prowadzić do powstawania pęknięć, porów, a ostatecznie do rozproszenia materiału elektrody. Skutkiem tego są straty pojemności oraz ograniczona żywotność.
Institut Fraunhofer IPA ds. Technologii Produkcji i Automatyzacji opracował we współpracy z Instytutem Fotowoltaiki na Uniwersytecie w Stuttgarcie oraz opatentował technologię komórek i elektrod, która adresuje te procesy starzenia. Według badaczy ten podejście stabilizuje materiały podczas pracy i utrzymuje kontakt elektryczny wewnątrz elektrody przez wiele cykli ładowania i rozładowywania.
W tym podejściu na anodzie całkowicie rezygnuje się z grafitu i krzemu. Dzięki temu można nie tylko zmniejszyć zapotrzebowanie na grafit, który jest uważany za surowiec kluczowy dla europejskiej przemysłu baterii, ale także uniknąć problemów występujących przy anodach o wysokim zawartości krzemu, spowodowanych znacznymi zmianami objętości. Kolejna różnica dotyczy budowy elektrody – jako materiał wyjściowy służy powszechnie dostępna stopowa folia aluminiowa, która jednocześnie pełni rolę materiału aktywnego i przewodnika prądu. Dzięki temu można zrezygnować z folii miedzianej, stosowanej w konwencjonalnych anodach.
Folia aluminiowa służy jako materiał aktywny i przewodnik prądu
Unikamy również osobnego procesu powlekania, przy którym aktywny materiał nakładany jest na przewodnik prądu. Ma to zmniejszyć zarówno koszty procesu, jak i zapotrzebowanie energetyczne przy wytwarzaniu elektrod. Jako możliwą katodę badacze wymieniają tlenek litu-manganu, w skrócie LMO. W połączeniu z anodą aluminiową ma to umożliwić osiągnięcie konkurencyjnej gęstości energii. Jednocześnie chemia ogniwa byłaby wolna od fosforanów, co mogłoby stanowić tańszą alternatywę dla ogniw na bazie litu i fosforanu żelaza.
Anoda aluminiowa ma się ponadto dać połączyć z rozpuszczalnikami elektrolitu o wysokiej temperaturze zapłonu. Razem z katodą LMO wolną od fluoru, według Fraunhofera, możliwe byłoby nawet stworzenie konstrukcji ogniwa całkowicie wolnej od fluoru, a tym samym od PFAS. Dzięki temu można by uniknąć również ryzyka powstania wodoru fluorowego podczas pożaru baterii.
Fraunhofer przewiduje pierwsze zastosowania głównie tam, gdzie bezpieczeństwo, trwałość oraz mała objętość konstrukcyjna są szczególnie ważne. Wśród nich wymienia się m.in. zastosowania w przewozie lotniczym, systemy śledzenia pojemników transportowych oraz specjalistyczne urządzenia medyczne.
Dla późniejszego zastosowania przemysłowego istotne jest to, że chemia komórkowa ma być możliwa do wytwarzania na istniejących liniiach produkcyjnych. Według instytutu nie byłoby więc konieczne całkowite przebudowanie infrastruktury produkcyjnej. Kilka prototypów zostało już stworzonych i obecnie są testowane w Centrum Cyfrowej Produkcji Komórek Baterii Fraunhofer IPA. Instytut w obecnym komunikacie nie podaje jeszcze informacji na temat konkretnych liczby cykli oraz gęstości energii gravimetrycznej lub objętościowej.
Równocześnie Fraunhofer pracuje nad innymi rozwiązaniami w celu ulepszenia komórek baterii na poziomie materiałów i architektury. Dopiero we wrześniu Fraunhofer ISE przedstawił architekturę komórki z znacznie grubszymi elektrodami. Dzięki mniejszemu udziałowi przewodników prądu gęstość energetyczna ma się zwiększyć o dziesięć do 15 procent w zależności od typu baterii i jej konstrukcji. Również to rozwiązanie znajduje się jeszcze na etapie badań i musi najpierw udowodnić swoją możliwość skalowania przemysłowego.