Baterie mogłyby wytrzymać znacznie dłużej dzięki temu nowemu dodatkowi do grafitu.

Jednym z największych wyzwań stojących przed obecnymi bateriami jest nie tylko zwiększenie ich pojemności, ale także zapewnienie im odporności na liczne cykle ładowania oraz upływ lat. Grupa japońskich badaczy odkryła teraz sposób na poprawę tego aspektu dzięki nowemu dodatkowi, który działa na powierzchni grafitu – jednego z najczęściej używanych materiałów w elektrodach baterii.

Zespół z Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) opracował związek o nazwie imina pentafluorofenylowo-tiofenowego, znany jako FPTI. Jego zadaniem jest wzmocnienie warstwy ochronnej powstającej na grafitie podczas pierwszych cykli ładowania, co ma kluczowe znaczenie dla kontrolowania starzenia się baterii.

Najbardziej imponujący wynik występuje po 1000 cyklach. Komórki testowe potraktowane koncentracją 4 miligramów FPTI na mililitr zachowały 95,6% swojej pojemności, podczas gdy komórki bez tego dodatku osiągnęły jedynie 62,7%. Przy niższej koncentracji, 2 miligramów na mililitr, zachowana pojemność wyniosła 89,4%.

Kluczem jest obszar akumulatora, który zazwyczaj pozostaje niezauważony. Podczas pierwszych ładowań na graficie tworzy się warstwa znana jako interfejs elektrolitu stałego, czyli SEI. Ta warstwa umożliwia ruch jonów litu, ale jednocześnie ogranicza pewne reakcje chemiczne, które mogą przyspieszyć degradację ogniwa.

Gdy ta warstwa traci stabilność, wzrasta rezystancja wewnętrzna i zużywa się część aktywnego litu w akumulatorze. Skutkiem jest stopniowa utrata pojemności. To, czego dążyli japońscy badacze, to właśnie zapewnienie większej stabilności tej ochrony od samego początku.

Addytyw tworzący bardziej odporną warstwę ochronną

FPTI został zaprojektowany tak, aby reagować we wczesnych fazach pracy przed innymi składnikami elektrolitu. W ten sposób przyczynia się do tworzenia bardziej stabilnej warstwy ochronnej na graficie. Przeprowadzona przez zespół analiza wykazała ponadto wysoką zawartość fluoru litu w tej warstwie, podczas gdy inne składniki pochodzące z siarki oraz grupy iminy związku również biorą udział w jej tworzeniu.

Efekt ten można bezpośrednio zmierzyć w wewnętrznym oporze ogniwa. Przy najwyższej koncentracji FPTI opór warstwy ochronnej spadł z 7,6 ohmów w ogniwie referencyjnym do zaledwie 2,2 ohmów. Opor związany z przenoszeniem ładunku również zmniejszył się z 41,8 do 19,8 ohmów, podczas gdy ruch jonów litu uległ poprawie.

Jednak to w teście długotrwałości widoczna jest największa różnica. Po 1.000 cyklach ogniwo bez FPTI zachowało 62,7% swojej zdolności referencyjnej, natomiast te traktowane 2 i 4 miligramami na mililitr utrzymały odpowiednio 89,4% i 95,6%. Ponadto ogniwa bez tego dodatku zaczęły wykazywać szczególnie znaczącą utratę pojemności już od około 350 cykli.

Naukowcy chcieli następnie sprawdzić, czy ten sam princip można zastosować w pełnej baterii, używając elektrody dodatniej z NMC811 oraz elektrody ujemnej z grafitu. Wtedy pojawiło się istotne ograniczenie: bezpośrednie dodanie FPTI do elektrolitu całej baterii nie przyniosło dobrych rezultatów, ponieważ zwiększało opór w elektrodzie dodatniej i pogarszało wydajność.

Rozwiązaniem było wykorzystanie tego związku wyłącznie do wstępnego obróbki elektrody grafitowej. Najpierw na graficie utworzono udoskonaloną warstwę ochronną za pomocą FPTI, a następnie zmontowano pełny akumulator przy użyciu konwencjonalnego elektrolitu, bez pozostawiania dodatku w całej komórce.

Wynik również był znaczący. Pełny akumulator wykorzystujący grafit przetworzony 4 miligramami na mililitr FPTI osiągnął gęstość energetyczną około 233 Wh/kg, w porównaniu z około 192 Wh/kg przy użyciu dawki 2 miligramów na mililitr oraz około 130 Wh/kg w konfiguracji referencyjnej.

Badania pokazują zatem, że nie zawsze konieczne jest zastępowanie grafitu zupełnie nowym materiałem w celu poprawy żywotności baterii. W tym przypadku celem jest lepsze kontrolowanie tego, co dzieje się na jej powierzchni, oraz zapobieganie temu, by reakcje wtórne stopniowo niszczyły elektrodę z każdym cyklem.

Mimo to do wprowadzenia tego rozwiązania w samochodach elektrycznych pozostaje jeszcze sporo drogi. Wynik 95,6% osiągnięto głównie w komórkach testowych z grafitem i litusem, natomiast testy z pełną baterią przeprowadzono po uprzednim obróbce elektrody ujemnej. Sami badacze wskazują, że konieczne będą testy z komórkami większych rozmiarów w warunkach pracy bliższych tym przemysłowym.

Znaczenie tego rozwiązania leży zatem bardziej w torze, który otwiera, niż w natychmiastowym zastosowaniu. Jeśli ta strategia uda się wdrożyć na skalę przemysłową, może umożliwić wydłużenie żywotności baterii opartych na już znanych materiałach, bez konieczności całkowitej zmiany ich składu. A to może być istotne zarówno dla samochodów elektrycznych, jak i innych systemów magazynowania, które muszą wytrzymać setki lub tysiące cykli bez znacznego spadku wydajności.