Dzięki srebru bateria osiąga 467 Wh/kg: oto konsekwencje dla samochodu elektrycznego

Zdobycie akumulatora, który może przechowywać więcej energii bez zwiększania masy, jest jednym z głównych celów deweloperów. Jednak mało znaczy osiągnięcie imponujących wyników, jeśli pojemność szybko się zmniejsza podczas ładowania. Zespół z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Hongkongu przedstawił rozwiązanie, które adresuje oba te problemy poprzez użycie dodatku na bazie srebra.

Badania, kierowane przez profesora Shao Minhua, osiągnęły gęstość energetyczną 467 Wh/kg w komórce o konstrukcji typu „torba”. Z kolei komórka typu „przycisk” zachowała 90% swojej pojemności po 200 cyklach.

Jak srebro pomaga w akumulatorach bez anodu

Propozycja opiera się na architekturze zwanej „bez anodu początkowego”. Zamiast od samego początku włączać materiał aktywny do elektrody ujemnej, wykorzystuje miedziany kolektor prądu, na którym podczas ładowania osadza się lit. Rezygnacja z tego materiału początkowego pozwala zmniejszyć wagę i ułatwia proces produkcji.

Problem pojawia się, gdy lit zaczyna się osadzać. Powierzchnia miedzi nie sprzyja równomiernemu rozkładowi, w związku z czym mogą powstawać dendryty – struktury przypominające igły, które pogarszają funkcjonowanie ogniwa i mogą powodować wewnętrzne zwarcia. Decydujące znaczenie ma również stabilność warstwy ochronnej tworzącej się na powierzchni elektrody, znanej jako SEI.

Aby poprawić to zachowanie, badacze dodali do elektrolitu wielofunkcyjny dodatek o nazwie AMI, który zawiera jony srebra. Jego funkcja wykracza poza dodanie składnika do mieszanki: uruchamia szereg procesów po zmontowaniu ogniwa w celu modyfikacji miedzi, regulacji osadzania się litu oraz wzmocnienia ochrony elektrody.

Srebro ułatwia równomierniejsze osadzanie się litu. Jednocześnie dodatek przyczynia się do tworzenia warstwy ochronnej, w której część wewnętrzna jest bogata w składniki organiczne, a część zewnętrzna – w składniki nieorganiczne. Celem jest umożliwienie ruchu jonów oraz utrzymanie stabilnej bariery podczas kolejnych ładowań i rozładowań.

Do tego dochodzi reakcja polimeryzacji w elektrolicie, która tworzy quasi-twardy żel. Pomaga on utrzymać kontakt między elektrodą a elektrolitem, co stanowi jeden z delikatnych aspektów tych baterii. Dlatego nie mamy do czynienia z baterią w pełni na bazie stałego elektrolitu, lecz z konfiguracją quasi-twardą, której celem jest poprawa stabilności jej interfejsów.

Co pokazują testy i co pozostaje do rozwiązania

Pierwotne badanie, opublikowane w Nature Communications, dostarcza ważnego uzupełnienia: 90% efektywności uzyskano przy użyciu komórki z katodą LFP testowanej przy prądzie 0,1 C, czyli w wolnym tempie, co nie pozwala wyciągać wniosków dotyczących szybkiego ładowania. Komórka typu pouch o pojemności około 2 Ah z katodą NCM811 osiągnęła wartość 467 Wh/kg, obliczoną na podstawie całkowitej masy komórki. Są to różne formaty i chemie.

Dla samochodu elektrycznego wyższa energia na kilogram może oznaczać większy zasięg przy podobnej masie lub lżejszą baterię przy zachowaniu tej samej pojemności. Jednak ta wartość odnosi się do pojedynczej komórki: pełny pakiet musi zawierać konstrukcję, połączenia, system chłodzenia oraz systemy sterowania, których masa również ma znaczenie.

Zaletą tego podejścia jest możliwość rozwiązania kilku problemów za pomocą jednego procesu. Teraz pozostaje sprawdzić, czy ta korzyść utrzymuje się przy zwiększaniu rozmiaru komórek i wymagań użytkowych, oraz ile kosztuje wprowadzenie go do produkcji. Srebro dało interesujący wynik w laboratorium; kolejnym krokiem będzie utrzymanie tych efektów poza nim.

Źródło | Nature