Lithium-iontové baterie se rozšířily jako současný standard a najdete je téměř ve všech typech přenosné digitální techniky: mobilních telefonech, laptopech, robotických vysavačích, ale i elektromobilech. Tyto dobíjecí baterie ale mají omezenou životnost, která také hodně závisí na tom, v jakém režimu se baterie používá a jakým způsobem se dobíjí.
Postupem času se kapacita lithium-iontové (Li-ion) baterie snižuje a důvodem je proces, který probíhá v jejím elektrolytu: lithium se postupně nahromadí na minusové elektrodě, a tím stále více narušuje vnitřní proudový tok.
Postupné vytváření tohoto rozhraní pevného elektrolytu (SEI – Solid Electrolyte Interface) proto má zásadní význam pro celkovou životnost baterií.
Počáteční nabití je rozhodující
Zdroj: Panos Sakalakis/Unsplash
Kritický moment pro životnost baterie nastává ještě předtím, než se vůbec dostane na trh a mezi zákazníky. Úplně poprvé se nabíjí ještě v rámci procesu výroby a tento proces se nazývá formování baterie. Zajišťuje mimo jiné i řízenou tvorbu počáteční vrstvy SEI, která má v maximální možné míře zabránit následnému hromadění na anodě.
"Formování představuje poslední krok výrobního procesu", vysvětluje hlavní autor nejnovějšího objevu, Xiao Cui z Univerzity Stanford. „Pokud se to nepodaří, veškeré úsilí a energie, které byly do baterie investovány, přijdou vniveč.“
Doposud se Li-ion baterie formovaly pomalu a při nízkém napětí. Důsledkem této metody je, že se ve vrstvě SEI hromadí přibližně 9 % původně dostupného lithia, a tím se vylučuje z dalšího procesu kumulace elektrické energie a jejího uvolňování při proudovém zatížení.
Podle předchozí hypotézy by ale toto inicializační formování mělo chránit anodu baterie před dalším usazováním, a tím vlastně zpomalovat proces jejího stárnutí a ztráty kapacity.
Reverzní poměry v baterii: ono to vše ale může být úplně jinak
Zdroj: Onur Binay/Unsplash
Úžasné je, že Cui a jeho výzkumný tým nyní prokázali pravý opak. Pro svou studii formovali 186 nově vyrobených Li-ion baterií, a to mnoha různými způsoby.
Celkem na bateriích testovali 62 různých kombinací proměnných, jako je velikost napětí při nabíjení, doba trvání a teplota. Poté zjišťovali, kolik nabíjecích cyklů baterie vydrží, než jejich kapacita klesne pod definovanou mezní hodnotu. Také analyzovali stav vrstvy SEI.
Zjištěné výsledky byly v rozporu s předchozími očekáváními. Podmínky, které byly dříve pro proces formování považovány za nevhodné, se naopak projevily jako přínos. Jde především o vyšší úroveň nabíjecího napětí a vyšší teplotu.
Mohlo by vás zajímat
"Při prvním nabíjení je překvapením, že vyšší hodnota napětí prodlužuje životnost baterií v průměru o 50 %", uvádí Cui a jeho kolegové. Zvýšená teplota formování na 55 stupňů Celsia rovněž prodloužila životnost baterií.
„Podle tradičního názoru příliš vysoká teplota při formování poškozuje elektrolyt a příliš rychlý proces podporuje hromadění lithia, a tím snižuje životnost baterie – nová zjištění jsou proto nečekaná,“ píší vědci.
Počáteční vedlejší účinky s pozdějšími výhodami
Zdroj: Daniel Korpai/Unsplash
Jaký je důvod? Další zkoumání ukázalo, že vysoká hodnota počátečního napětí při formování Li-ion baterie má ve skutečnosti na první pohled spíše negativní důsledky: vede k silnější vrstvě SEI a váže v ní přibližně 30 % lithia – na rozdíl od předchozích devíti procent.
Z dlouhodobějšího hlediska se však projevuje další, dříve nezaznamenaný efekt: v důsledku rychlé tvorby se do vrstvy SEI dostává více lithia z okolí anody, což znamená, že zde zůstane k dispozici méně lithia pro pozdější reakce, podporující jeho depozici.
To v konečném důsledku vede ke zpomalení škodlivých usazenin v baterii. „Přestože formování při vysokém napětí způsobuje značné vedlejší reakce, vede to ke zvýšení počtu cyklů až o 70 procent,“ vysvětlují vědci.
Mohlo by vás zajímat
Tím se kompenzuje počáteční ztráta lithia. Zvýšená teplota během formování má ještě druhý pozitivní účinek: podporuje chemické reakce, které vedou ke zlepšení struktury vrstvy SEI.
Potenciál pro zlepšení baterií
Cui a jeho vědecký tým se domnívají, že tato zjištění mají obrovský praktický význam pro výrobu a další vývoj lithium-iontových baterií.
„Výroba baterií stojí mnoho energie, času a kapitálu, takže vývoj zcela nové konstrukce baterií je náročný na zdroje,“ říká Cui. Příležitost optimalizovat stávající baterie pouhou úpravou procesu formování je proto významná.
„Je možné, že nově získané poznatky bude možné zavést do inovativních procesů a budoucích typů baterií,“ dodává spoluautor Steven Torrisi z Výzkumného ústavu Toyoty.
Zdroj: Live Science, EV.com
video
