Większy zasięg przy tej samej masie: akumulator na krzem przeszedł test laboratoryjny

Kluczowy sukces w badaniach nad bateriami: komórki foliowe z anodami bogatymi w krzem przetrwały test obejmujący ponad 1.000 cykli, nie tracąc przy tym mniej niż 80 procent swojej pojemności. Jakie parametry odgrywają ważną rolę i co oznacza ten postęp dla samochodów elektrycznych, dowiedz się tutaj.

Zdjęcie: Fraunhofer ISE

Naukowcy z Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (ISE) w ramach projektu „StrOboBatt” zdołali uruchomić samodzielnie wykonaną komórkę foliową o pojemności 25 Ah z anodami bogatymi w krzem przez ponad 1.000 pełnych cykli. Po teście komórka zachowała jeszcze ponad 83 procent swojej początkowej pojemności. Dzięki temu projekt badawczy osiągnął ważną granicę w rozwoju baterii: 1.000 pełnych cykli przy zachowaniu co najmniej 80 procent pojemności uznawane jest za minimalny wymóg do zastosowań komercyjnych.

Krzem: wysoka gęstość energii, ale ekstremalna rozszerzalność

Cechą wyróżniającą komórkę foliową jest jej bogata w krzem anoda, ponieważ umożliwia ona wyższą gęstość energii w porównaniu z tradycyjnymi anodami grafitowymi. Do tej pory krzem nie może być jednak używany jako materiał anodowy, ponieważ jego objętość podczas ładowania zwiększa się o do 300 procent wskutek pochłaniania jonów litu (czterokrotny wzrost), a podczas rozładowania znów się kurczy. Ten silny ruch powoduje utratę kontaktu elektrycznego wewnątrz elektrody oraz przyspieszone rozkładanie się elektrolitu. Skutkiem jest zbyt szybkie starzenie się komórki, co uniemożliwia jej praktyczne wykorzystanie. Dla porównania: grafit rozszerza się jedynie o około dziesięć do dwunastu procent.

Aby zmniejszyć obciążenie mechaniczne spowodowane silnym rozszerzaniem się, badacze z Fraunhofer ISE użyli kompozytu krzemowo-węglowego, który stanowi 51 procent materiału aktywnego anody. Wraz z katodą bogatą w nikel wyprodukowano komórkę foliową na linii pilotażowej zbliżonej do warunków przemysłowych.

Ciśnienie i dynamika ładowania – kluczowe czynniki

W laboratorium prototypy komórek baterii poddawano podczas ładowania i rozładowywania również osiowemu ciśnieniu 1.000 kilopaskali (ok. 10 bar). Mimo ruchu materiału kontakt elektrod pozostawał stabilny. Przy niższym ciśnieniu 300 kilopaskali (ok. 3 bar) użyteczna pojemność spadała natomiast znacznie szybciej. W ten sposób okazało się, że zewnętrzne ciśnienie mechaniczne jest kluczowym parametrem.

Ponadto testy przeprowadzone w warunkach dynamicznego obciążenia codziennego pokazały, że użyteczna pojemność spada szybciej przy wysokim obciążeniu niż w przypadku łagodniejszych cykli testowych. Jest to ważna wskazówka dotycząca przyszłego zastosowania w samochodach elektrycznych, których systemy zarządzania bateriami muszą to uwzględnić.

Próbowane ogniwa osiągnęły gęstość energii gravimetryczną 280 Wh/kg. Fraunhofer ISE wyjaśnia jednak, że przy przemysłowo optymalizowanej produkcji seryjnej można osiągnąć około 330 Wh/kg. Akumulator o gęstości 330 Wh/kg oznaczałby wzrost o około 20 do 35 procent w porównaniu z obecnymi ogniwami NMC i NCA oraz niemal podwojenie w porównaniu z ogniwami LFP.

Europejskie surowce dla większego zasięgu