Komórki z krzemem wytrzymują ponad 1.000 cykli, co zapewnia bateriom większą autonomię.

Aby samochód elektryczny mógł przejechać większą odległość, nie powinno to zawsze zależeć od montażu większego i cięższego akumulatora. Jednym ze sposobów uniknięcia tego problemu jest zwiększenie gęstości energetycznej. W tym kontekście krzem od dawna wzbudza zainteresowanie, choć stwarza również trudny do rozwiązania problem: utrzymanie jego wydajności po wielu ładowaniach i rozładowaniach.

Niemiecki instytut Fraunhofer ISE zrobił krok w tym kierunku w ramach projektu StrOboBatt. Jego badacze opracowali ogniwa w formie worka o pojemności 25 Ah z anodami bogatymi w krzem, które przetrwały ponad 1.000 pełnych cykli, zachowując ponad 83% swojej początkowej pojemności. Jest to istotny wynik dla technologii, której potencjał energetyczny był ograniczony przez jej degradację.

Pełny cykl nie oznacza podłączenia samochodu tylko raz. Obejmuje on naładowanie i rozładowanie ilości energii równowej całej pojemności baterii, co można osiągnąć poprzez kilka częściowych ładowań. Dlatego ten rodzaj testu umożliwia badanie odporności na zużycie, choć sam w sobie nie określa, ile lat lub kilometrów wytrzyma bateria zainstalowana w samochodzie.

Krzem umożliwia przechowywanie większej ilości energii, ale wymaga kontrolowania jego rozszerzalności

Atrakcyjność krzemu polega na jego zdolności do przechowywania litu, która jest znacznie większa niż w przypadku grafitu powszechnie używanego w anodach. Problem pojawia się podczas ładowania – jego objętość może wzrosnąć nawet o 300%, a następnie zmniejszyć się podczas rozładowania. Powtarzanie tego procesu naraża elektrodę na znaczne obciążenia, co może uszkodzić jej wewnętrzne połączenia oraz sprzyjać reakcjom przyspieszającym starzenie się.

Aby zmniejszyć te problemy, badacze użyli materiału złożonego z krzemu i węgla, połączonego z grafitem. Ten związek stanowi 51% materiału aktywnego anody, co jest ważną informacją – nie oznacza to jednak, że połowa anody to czysty krzem. Całość łączy się z katodą NMC bogatą w nikel.

Jednym z kluczowych aspektów tego badania była presja wywierana na komórki. Przy około 10 barach ciśnienia zewnętrznego zachowanie komórek w dłuższej perspektywie było lepsze niż przy około 3 barach. Utrzymanie kontaktu między materiałami pomaga ograniczyć skutki ich zmian objętości, dzięki czemu konstrukcja trzymająca komórki również stanowi element tego wyzwania.

To ma praktyczne konsekwencje dla producentów. Nie wystarczy opracować materiału zdolnego do przechowywania dużej ilości energii – trzeba go zintegrować z baterią, która zapewnia odpowiednie warunki podczas jej pracy. Elementy mocujące, chłodzenie oraz zabezpieczenia również zajmują przestrzeń i mają określoną masę, dlatego korzyść uzyskana w pojedynczej komórce musi zostać sprawdzona później w całym pakiecie.

Testy wykazały również rosnącą różnicę pomiędzy pojemnością mierzoną przy łagodnych rozładowaniach a tą, która jest dostępna, gdy komórki są poddawane większemu obciążeniu. Jest to istotny detal w przypadku samochodu elektrycznego, gdzie zapotrzebowanie na energię ciągle się zmienia. Zachowanie pojemności podczas testów laboratoryjnych nie gwarantuje, że będzie ona nadal mogła być wykorzystywana w ten sam sposób przy bardziej intensywnym obciążeniu.

Zmierzona gęstość energetyczna wyniosła 280 Wh/kg, podczas gdy instytut szacuje, że optymalizowany format przemysłowy mógłby osiągnąć około 330 Wh/kg. Druga liczba to prognoza, a nie wynik już udowodniony w tych ogniwach. Różnica pomiędzy nimi wynosi blisko 18%, chociaż to również nie oznacza automatycznie o 18% większego zasięgu samochodu.

Aby zrozumieć potencjał, możemy użyć prostego przykładu. Gdyby przyszły pakiet energii zdołał wzrosnąć z 75 do 100 kWh przy zachowaniu tej samej masy, a samochód nadal miałby taki sam zużycie paliwa, zasięg wzrósłby o około 33%. Trasa 450 kilometrów stałaby się około 600 kilometrów. To matematyczna ilustracja zamierzonej korzyści, a nie zmierzony przez Fraunhofera zasięg ani gwarantowana przez to badanie poprawa.

Istnieje również inna, równie interesująca możliwość: zachowanie pojemności przy jednoczesnym zmniejszeniu wagi baterii. Dla kupującego, który już ma wystarczającą autonomię, ta opcja może okazać się bardziej przydatna niż dalsze gromadzenie kilometrów na papierze. Decyzja będzie zależeć od kosztu produkcji tych ogniw oraz od ich zachowania po zainstalowaniu w samochodzie.

Projekt dodatkowo wprowadza element przemysłowy o charakterze europejskim. Zastąpienie części grafitu związkami krzemu mogłoby pomóc w dywersyfikacji dostaw materiałów oraz przeniesieniu części tej działalności do Europy. To nie eliminuje konieczności ich przetwarzania z zachowaniem wysokiej jakości i konkurencyjnej ceny, ale otwiera drogę do zmniejszenia zależności.

Nadal pozostaje wiele pracy, zanim uda się znaleźć tę rozwiązanie w modelu produkcyjnym. Trzeba będzie udowodnić, że zachowuje swoje zalety w opakowaniu, przy różnych temperaturach oraz przez lata użytkowania. Kolejnym krokiem będzie zapewnienie, by te dobre wyniki przetrwały poza laboratorium, bez tego, aby waga i koszt utrzymywania komórek pod kontrolą zniweczyły te ulepszenia.

Źródło | ise.fraunhofer