10 000 nabití bez ztráty kapacity: hliníková baterie je levná a má působivé parametry

V posledních letech se věnuje velká pozornost alternativní chemii nabíjecích baterií: výzkumníci po celém světě hledají technologie, které by mohly vylepšit nebo nahradit v současnosti používané lithium-iontové baterie, nebo alespoň rozšířit výběr chemických článků. Jedním z těchto potenciálně slibných typů jsou také hliníko-iontové baterie – jejich použití však dosud omezovaly drahé elektrolyty, citlivost na vlhkost, korozi a poměrně nízká kapacita.

Hliníko-iontové baterie však mají i své výhody, například teoreticky velmi vysokou cyklickou stabilitu. Skupina vědců z University of Science and Technology Beijing nyní dokázala, že to není jen teorie. Jimi vyvinutá baterie ztratila po více než 10 000 cyklech nabíjení a vybíjení méně než jedno procento své původní kapacity.

Fluorid hlinitý mění kapalné elektrolyty na pevné

Hliník je třetím nejrozšířenějším minerálem v zemské kůře a jeho cena představuje jen asi čtvrtinu ceny lithia pro baterie. Odborníci na baterie pracují na hliníko-iontových bateriích připravených pro trh již několik let – většina předchozích testů však používala kapalné elektrolyty, které mohou způsobovat korozi anod, zejména ve vlhkých podmínkách. V jiných studiích zase vědci používali gelové polymerní elektrolyty, tj. polotuhé elektrolyty, které mají obecně poměrně nízkou vodivost.

Tým z Pekingu nyní zvolil jiný přístup, který zahrnuje špetku soli: použili kapalný elektrolyt obsahující ionty hliníku a přidali do něj malé množství soli – nikoli však chlorid sodný (kuchyňskou sůl), ale inertní fluorid hlinitý. Tím se vlastní kapalný elektrolyt změnil na elektrolyt v pevném stavu.

Použitá sůl má pórovitou trojrozměrnou strukturu, která dodává látce vlastnosti houby. Tato houba tvořená fluoridem hlinitým absorbuje kapalinu a stabilizuje ji, ale zároveň umožňuje volný pohyb iontů. Podle vědců to zvyšuje vodivost a vede k vytvoření pevného kompozitního materiálu, který nemůže unikat. Výzkumníci také pokryli tenkou vrstvou tohoto materiálu elektrody, aby zabránili vzniku hliníkových krystalů, které by časem zhoršily výkon baterie.

Hliníková baterie má i po 10 000 nabíjecích cyklech 99 % kapacity

Stabilní, recyklovatelný elektrolyt v pevné fázi může vylepšit hliníkové baterie tím, že odstraní problémy s korozí, bezpečností a životností. Takové baterie by se následně mohly stát potenciální alternativou k dnes využívaným lithium-iontovým verzím.

Nabíjecí testy ukázaly, že nová konstrukce Al-ion baterie má výjimečně dlouhou životnost: i po 10 000 cyklech nabíjení a vybíjení by měla mít 99 % své původní kapacity. Pro srovnání, moderní lithium-iontové baterie v elektromobilech vydrží nejméně 1 000 nabíjecích cyklů, než jejich kapacita klesne pod důležitou hranici 80 %. V závislosti na používání, péči a kvalitě však může lithium-iontová baterie vydržet až 3 000 nabíjecích cyklů, než její kapacita klesne na 80 %. U elektromobilu to odpovídá ujetí přibližně 200 000 až 500 000 kilometrů – baterie elektromobilu tedy někdy vydrží déle než zbytek vozidla.

Protože z hliníkové baterie vyvinuté v Pekingu elektrolyt nevyteče, funguje podle vědců normálně i v případě, že byla poškozena opakovanými průrazy, a to i v případě, že byla úplně rozlomena. Vědci baterii testovali při teplotách až 200 stupňů Celsia, přičemž výstupní napětí zůstalo navzdory teplu téměř stejné.

Dobíjecí baterie lze bez problémů vyrábět ve velkém měřítku

Podle vědců by mělo být také poměrně snadné vyrábět novou strukturu baterie v komerčním měřítku. Je ale třeba ještě zlepšit její energetickou hustotu. Výzkumná práce, která byla publikována v časopise ACS Science, však konkrétní hodnoty energetické hustoty neuvádí. Dozvíme se alespoň specifickou kapacitu katody 121 mAh/g. Podle diagramů se průměrné napětí článku pohybuje kolem 1,8 až 2,0 V. Z toho by vyplývala zhruba odhadovaná gravimetrická hustota energie 220 až 230 Wh/kg – pouze pro katodu. Celková hustota energie takové hliníkové baterie bude tedy pravděpodobně mnohem nižší než u moderních lithium-železo-fosfátových baterií. Čínský výrobce CATL například uvádí pro svou současnou baterii Shenxing Plus hustotu energie 205 Wh/kg. Tento údaj zahrnuje nejen anodu, ale také pouzdro článku, kryt baterie a elektronické komponenty.

Hliníkové baterie proto zatím nepředstavují seriózní alternativu pro použití v automobilech. To by se však dalším vývojem mohlo rychle změnit. Pro stacionární baterie, kde gravimetrická hustota energie hraje pouze podružnou roli, je tato technologie zajímavá už dnes.

Zdroj: IEEE Spectrum, ACS Science