Plná kapacita delší dobu: jak pošetřit lithium-iontové baterie

Pokud se baterie nabíjejí rychle se měnícím, pulzujícím napětím, snižuje se tím obvyklá ztráta jejich kapacity. V experimentu byly takto nabíjené lithium-iontové baterie schopny přežít dvakrát více nabíjecích cyklů než obvykle. Důvody tohoto stavu odhalily analýzy. 

Li-ion baterie: výhody a nevýhody

Najdeme je v mobilních telefonech, noteboocích a fotoaparátech, ale také v elektromobilech a elektronice letadel: lithium-iontové baterie jsou pro moderní technologie téměř nepostradatelné. Je to proto, že baterie mají poměrně vysokou hustotu energie a lze je často nabíjet a vybíjet. Životnost lithium-iontových baterií je však také omezená: nejlepší komerčně dostupné lithium-iontové baterie vydrží pět až osm let, poté jejich kapacita nabití klesne pod 80 % - a stávají se neefektivními.

Problémem spočívá v tom, že během nabíjení a vybíjení dochází k elektrochemickým reakcím, které dlouhodobě poškozují materiál elektrod. Vznikají na nich mikrotrhliny a odlupují se. Zároveň se na anodě stále více usazuje lithium. Tato rostoucí vrstva – známá jako rozhraní pevného elektrolytu (Solid Elektrolyt Interface – SEI) – zhoršuje reakce a v průběhu času stále více snižuje nabíjecí kapacitu baterie. Zejména rychlé nabíjení proto obvykle zkracuje životnost baterií.

Nabíjecí protokol pod drobnohledem

Řešení tohoto problému nyní možná nalezl Jia Guo a jeho kolegové z Humboldtovy univerzity v Berlíně. Zkoumali, zda upravený nabíjecí protokol může zpomalit degradaci lithium-iontové baterie nebo jí zcela zabránit. Dosud se baterie obvykle nabíjely převážně konstantním stejnosměrným proudem. Výzkumný tým nyní zkoumal, zda rychlé střídání nabíjecího proudu může prodloužit životnost baterií.

Za tímto účelem výzkumníci vystavili různé lithium-iontové baterie buď standardním konstantním nabíjecím cyklům, nebo vysokofrekvenčnímu pulznímu nabíjení. V druhém případě se napětí střídalo s frekvencí 100 nebo 2 000 Hz.

Zdvojnásobení životnosti

Výsledek: lithium-iontové baterie s běžným, konstantním nabíjecím protokolem ztratily přibližně 20 % své kapacity během pouhých 500 nabíjecích cyklů; po 1 000 cyklech byla jejich nabíjecí kapacita pouze 37,8 %. "Naproti tomu při pulzním nabíjení zůstává výkonnost výrazně vyšší," uvádí výzkumný tým. Při 100Hz pulsech zbývalo po 1 000 nabíjecích cyklech ještě 66,5 % kapacity a při 2 000 Hz téměř 82 %.

Výzkumný tým uvádí, že životnost baterie je díky tomuto vysokofrekvenčnímu nabíjecímu protokolu více než dvakrát delší. Zdá se tedy, že nabíjení s rychle se střídajícími napěťovými cykly zpomaluje stárnutí baterií. Ale proč? To odhalily podrobné rentgenové analýzy.

Menší poškození elektrod

Analýzy ukázaly jasné rozdíly ve vnitřní struktuře baterií po různých nabíjecích protokolech: "Nabíjení pulzujícím proudem podporuje rovnoměrné rozložení iontů lithia v grafitu. Tím se snižuje mechanické napětí a tvorba trhlin v částicích grafitu, takže grafitová anoda zůstává déle stabilní," uvádí spoluautor Yaolin Xu z Helmholtzova centra pro materiály a energii v Berlíně.

Pulzní nabíjení rovněž brání rozkladu elektrolytu a růstu rušivé vrstvy SEI na grafitové anodě baterie. Při něm sice také vznikají usazeniny, ale ty jsou pružnější a rostou pomaleji díky vyššímu podílu organických molekul, jak tým zjistil.

Nadějný přístup

Podle vědců se jedná o slibný a jednoduchý přístup k zvýšení odolnosti lithium-iontových baterií. Uvádějí, že pulzní nabíjení by mohlo přinést mnoho výhod z hlediska stability materiálů elektrod a rozhraní a výrazně prodloužit životnost baterií.

Jaká by přesně měla být optimální délka impulzu, je však třeba ještě podrobněji prozkoumat. Studie již ukázala, že relativně vysoká frekvence 2 000 Hz je příznivá. Vědci se proto chystají testovat ještě vyšší frekvence.

Zdroj: Scinexx.de, Wiley Online Library