Większy zasięg przy tej samej wadze: bateria na krzem przeszła testy laboratoryjne
Kluczowy postęp w badaniach nad bateriami polega na tym, że komórki filmowe z anodami bogatymi w krzem wytrzymały podczas testów ponad 1000 cykli, nie tracąc przy tym więcej niż 80 procent swojej pojemności. Omawiamy parametry, które odgrywają kluczową rolę, oraz to, co ten postęp może oznaczać dla pojazdów elektrycznych.
Zdjęcie: Fraunhofer ISE
Naukowcy z Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (ISE) z powodzeniem używali samodzielnie wyprodukowanej baterii typu pouch o pojemności 25 Ah z anodami bogatymi w krzem przez ponad 1000 pełnych cykli w ramach projektu „StrOboBatt”. Po testach bateria zachowała ponad 83 procent swojej pojemności. To osiągnięcie stanowi ważny kamień milowy w rozwoju baterii – 1000 pełnych cykli przy zachowaniu co najmniej 80 procent pojemności uważane jest za minimalny wymóg do zastosowań komercyjnych.
Krzem: wysoka gęstość energii, ale ekstremalne rozszerzanie się
Celula typu pouch wyróżnia się swoim anodem bogatym w krzem, który umożliwia wyższą gęstość energii w porównaniu z konwencjonalnymi anodami grafitowymi. Jednak krzem nie został jeszcze powszechnie przyjęty jako materiał anodowy, ponieważ podczas ładowania jego objętość zwiększa się o nawet 300 procent (czterokrotnie) wskutek wiązania jonów litu, a następnie ponownie zmniejsza się podczas rozładowania. To znaczne zmiany powodują utratę kontaktu elektrycznego wewnątrz elektrody i przyspieszają rozkład elektrolitu. W rezultacie celula degradowuje się zbyt szybko, by mogła być używana w praktyce. Dla porównania grafit powiększa się jedynie o około 10 do 12 procent.
Aby zmniejszyć naprężenia mechaniczne spowodowane tym ekstremalnym rozszerzaniem, badacze z Fraunhofer ISE użyli kompozytu krzemowo-węglowego, który stanowi 51 procent aktywnego materiału anody. W połączeniu z katodą bogatą w nikel, komórka typu pouch została wyprodukowana na linii pilotażowej w skali przemysłowej.
Ciężar i dynamika ładowania to kluczowe czynniki
W laboratorium prototypy komórek baterii były również poddawane osiowemu ciśnieniu 1000 kilopaskali (około 10 bar) podczas ładowania i rozładowywania. Pomimo ruchu materiału, kontakt elektrod pozostał stabilny. Przy niższym ciśnieniu 300 kilopaskali (około 3 bar) jednak użyteczna pojemność zmniejszała się znacznie szybciej. Dlatego zewnętrzne naprężenia mechaniczne okazały się decydującym parametrem.
Testy przeprowadzone w dynamicznych warunkach rzeczywistych pokazały również, że użyteczna pojemność spada szybciej przy wysokich poziomach mocy niż podczas łagodnych cykli testowych. Daje to ważną wskazówkę dla przyszłego zastosowania w pojazdach elektrycznych, których systemy zarządzania bateriami muszą uwzględniać ten czynnik.
Próbowane komórki osiągnęły grawimetryczną gęstość energii wynoszącą 280 Wh/kg. Jednak Fraunhofer ISE stwierdza, że optymalizowana przemysłowo produkcja seryjna mogłaby osiągnąć wartość około 330 Wh/kg. Bateria o gęstości energii 330 Wh/kg oznaczałaby wzrost o około 20 do 35 procent w porównaniu z obecnymi komórkami NMC i NCA oraz prawie podwojenie gęstości energii w porównaniu z komórkami LFP.
Europejskie surowce dla większego zasięgu
W praktyce oznacza to, że pojazd elektryczny mógłby mieć pojemność magazynowania prawie 100 kWh zamiast obecnych około 75 kWh przy tej samej masie baterii. Dzięki temu rzeczywisty zasięg pojazdu średniej wielkości wzrósłby z około 450 km do ponad 600 km.
Oprócz zwiększenia zasięgu, ta technologia daje strategiczną przewagę sektorowi przemysłowemu. Ponieważ grafit jest obecnie importowany głównie spoza Europy, zwiększone wykorzystanie kompozytów krzemowych umożliwia częściowe przeniesienie procesu tworzenia wartości surowców do Europy, gdyż krzem można pozyskiwać i wytwarzać syntetycznie na poziomie regionalnym.