LG przygotowuje baterię tańszą od LFP o 33% wyższej gęstości energetycznej.

LG Energy Solution właśnie zrobiło ważny krok w celu rozwiązania jednego z problemów, które od lat hamowały rozwój wyjątkowo obiecującej chemii. Południowokoreańska firma we współpracy z Narodowym Uniwersytetem w Seulu udało się znacząco poprawić trwałość baterii LMR, bogatych w mangan, do tego stopnia, że udowodniono ich działanie w dużych komórkach przeznaczonych do samochodów elektrycznych.

Badanie, opublikowane w Nature Communications, pokazuje, że komórka LMR o pojemności ponad 40 Ah może zachować 92,2% swojej początkowej energii po 883 pełnych cyklach ładowania i rozładowywania. Interesująca jest nie tylko ta liczba, ale także sposób, w jaki badacze jej osiągnęli: poprzez modyfikację warunków pracy baterii w celu lepszej kontroli reakcji tlenowych.

Technologia LMR, skrót od ang. litium manganese rich batteries, od lat jest rozważana jako potencjalna alternatywa dla baterii zawierających dużo niklu i kobaltu. W obecnych chemikaliach o wysokich osiągach materiały te umożliwiają uzyskanie wysokiej gęstości energetycznej, ale jednocześnie zwiększają koszt produktu. Mangan natomiast jest znacznie bardziej powszechny i tańszy.

W ogniwach LMR opracowanych przez General Motors i LG Energy Solution skład wynosi mniej więcej 65% manganu i 35% niklu, przy praktycznie znikomym udziale kobaltu. GM twierdzi, że taka konfiguracja pozwala osiągnąć gęstość energetyczną o około 33% wyższą niż w najlepszych bateriach LFP przy porównywalnych kosztach.

Tutaj właśnie leżał problem. Baterie LMR również wykorzystują tlen obecny w materiale elektrody do przechowywania energii. Podczas ładowania część tego tlenu ulega utlenianiu, a jeśli później nie może wrócić prawidłowo do swojego pierwotnego stanu podczas rozładowania, może to spowodować uszkodzenia wewnętrznej struktury ogniwa. Ponadto powstaje gaz, co jest szczególnie problematyczne w przypadku dużych ogniw przeznaczonych do samochodów elektrycznych, gdzie dostępna przestrzeń jest ograniczona, a wzrost ciśnienia wewnątrz może przyspieszyć degradację.

Naukowcy z LG Energy Solution oraz Narodowego Uniwersytetu w Seulu odkryli, że kluczem jest lepsze kontrolowanie okna operacyjnego. Poprzez obniżenie maksymalnego napięcia ładowania z 4,6 na 4,3 wolta, stopień odzyskiwania utlenionego tlenu wzrósł z 86% do 97%. Sprawdzili również, że obniżenie minimalnego napięcia rozładowania z 3,0 na 2,0 wolta pozwalało tlenowi wrócić praktycznie do swojego pierwotnego stanu.

Na podstawie tych wyników zespół zmienił zarówno zakres napięć, jak i początkowy proces tworzenia ogniw. Ta ostatnia etapa została również przeprowadzona w niższej temperaturze, aby jeszcze bardziej zmniejszyć powstawanie gazów. Rezultatem było duże ogniwо LMR o pojemności ponad 40 Ah, które zachowało 92,2% swojej energii po 883 pełnych cyklach. Badanie wskazuje ponadto na energię właściwą wynoszącą 663 Wh/kg, przyjmując za punkt odniesienia masę materiału aktywnego na elektrodzie dodatnim, chociaż tę wartość nie należy mylić z gęstością energetyczną całego pakietu w samochodzie.

Może się wydawać, że 883 cykle to niewiele dla baterii w samochodzie elektrycznym, ale ta liczba zmienia się, gdy przeliczymy ją na przebyte kilometry. Jeśli weźmiemy za punkt odniesienia samochód o zasięgu około 640 kilometrów, 883 pełne cykle odpowiadałoby mniej więcej 565 000 kilometrom. Przy takim użytkowaniu bateria straciłaby około 8% swojej początkowej energii, zgodnie z wynikami uzyskanymi w laboratorium.

I jest jeszcze jeden szczególnie ważny aspekt: postęp nie zależy od wprowadzenia zupełnie nowego materiału ani od całkowitej modyfikacji fabryk baterii. Badacze wykazali, że istotną część problemu można rozwiązać po prostu poprzez optymalizację warunków elektrochemicznych pracy. To otwiera drogę do znacznie prostszego wdrożenia, jeśli wyniki będą zachowane, gdy ta technologia trafi do masowej produkcji przemysłowej.

Ponadto nie mamy do czynienia z chemią, która pozostała jedynie w laboratorium. General Motors i LG Energy Solution już pracują nad wprowadzeniem baterii LMR do samochodów elektrycznych w produkcji. Obie firmy planują rozpocząć przedprodukcję komórek pryzmatycznych LMR pod koniec 2027 roku, a produkcję komercyjną w Stanach Zjednoczonych w 2028 roku za pośrednictwem Ultium Cells.

Pierwotnym celem są duże SUV-y i elektryczne pick-upy marki GM, gdzie waga oraz koszt baterii o dużej pojemności mają szczególnie duży wpływ. Firma chce zapewnić zasięg przekraczający 640 kilometrów, jednocześnie obniżając koszty w porównaniu z obecnymi bateriami o wysokim zawartości niklu. W rzeczywistości GM pracuje nad tą chemią od 2015 roku i twierdzi, że już przetestowała setki dużych komórek pryzmatycznych w różnych konfiguracjach.

Kombinacja ta jest szczególnie interesująca, ponieważ baterie LMR mogą zajmować miejsce pomiędzy bateriami LFP a tymi o wysokim zawartości manganu. Pierwszą zaletą jest niska cena manganu; drugą – znacznie wyższa gęstość energetyczna w porównaniu z bateriami LFP; trzecią – możliwość utrzymania wysokiego czasu pracy bez konieczności używania dużych ilości manganu i kobaltu.

Nadal trzeba udowodnić, jak będzie się zachowywać ta technologia w milionach komórek wyprodukowanych seryjnie i w rzeczywistych warunkach użytkowania samochodu elektrycznego. Konieczne będzie również sprawdzenie, jaka gęstość energetyczna ostatecznie osiągnie cały pakiet baterii oraz jak zmienia się jego zachowanie po tysiącach cykli. Jednak postęp opisany przez LG Energy Solution i Narodowy Uniwersytet w Seulu eliminuje jeden z głównych przeszkód, które od lat hamowały rozwój baterii LMR: degradację spowodowaną nieodwracalnymi reakcjami tlenu i wytwarzaniem gazów.

Jeśli industrializacja planowana przez GM i LG Energy Solution zostanie zrealizowana zgodnie z harmonogramem, pierwsze aplikacje pojawią się w 2028 roku. Oznacza to, że bateria zdolna do zapewnienia dużej autonomii, wykorzystująca znacznie mniej kobaltu i obniżająca koszt produkcji, może być znacznie bliżej samochodów elektrycznych, których używamy na co dzień, niż się wydawało zaledwie kilka lat temu.

Źródło | LG

Główne punkty

W tym rozwiązaniu chemicznym używa się około 65% manganu i 35% niklu, przy bardzo małej ilości kobaltu.

Zgodnie z informacjami GM, gęstość energetyczna może być o 33% wyższa niż w najlepszych bateriach LFP.

Przekaźnik o pojemności ponad 40 Ah zachował 92,2% swojej energii po 883 cyklach.

Kontrola napięcia podczas ładowania i rozładowywania umożliwia odzyskanie aż 97% utlenionego tlenu.

GM i LG Energy Solution planują rozpoczęcie komercyjnej produkcji ogniw LMR w 2028 roku.

Pierwsze zastosowania będą dotyczyć dużych elektrycznych SUV-ów i pick-upów marki GM.

Dzięki zasięgowi około 640 kilometrów, 883 cykle odpowiadałoby mniej więcej 565 000 kilometrom.