Vědcům se podařil objev, který může zdvojnásobit dojezd elektromobilů – lithium je stále ve hře

Ve srovnání s dobíjecími Li-ion akumulátory mají lithiové baterie rozhodující výhodu z hlediska množství elektrické energie, kterou jsou schopné uchovat, zjednodušeně řečeno, disponují vyšší hustotou při uchovávání energie. Lithiová baterie, která by byla ve srovnatelné velikosti, jako jsou dnešní běžné baterie v elektromobilu, by poskytla dostatek elektřiny pro dosažení vzdálenosti až 1000 km.

Po ujetí takové vzdálenosti by ale bylo nutné baterii vyměnit za novou. Přestože je technologie běžných lithiových knoflíkových baterií v podstatě totožná, zpravidla se takové baterie používají jako jednorázové, a to především v zařízeních, kde je zapotřebí dlouhá skladovatelnost. Baterie jsou schopné energii uchovávat až deset let. Jejich dobíjení teoreticky možné je, v praxi se ale kvůli mnoha komplikacím nepoužívá.

Stanfordským vědcům se podařil průlom ve zkoumání aplikace lithia v akumulátorech a hledání ideálního elekrolytu, včetně vnitřní konstrukce bateriového článku. Našli překvapivě jednoduchý způsob, který by mohl otevřít dveře především delším reálným dojezdům e-aut.

Jak zajistit dobíjení lithiové baterie: stačí softwarová úprava

Pokud máte zkušenosti s elektroauty, jistě víte, že lithium-iontový akumulátor můžete dobíjet prakticky okamžitě. Něco jiného to je v případě zkoumaných lithium-metalických baterií, které jsou nyní v hledáčku výzkumníků (také označované jako lithium-kovové). U nich je potřeba trocha trpělivosti, než se připojí k nabíječce a vpustí se dobíjecí proud. Wenbo Zhang, doktorand v oboru materiálové vědy a inženýrství na Univerzitě Stanford, který se na vývoji podílel, vysvětluje důvody:

"Hledali jsme nejjednodušší a nákladově nejefektivnější způsob, jak prodloužit životnost lithium-kovových baterií. Zjistili jsme, že dodržením odpočinkové fáze ve vybitém stavu lze rychle dobít ztracenou kapacitu a prodloužit životnost baterie. Těchto vylepšení lze dosáhnout pouhým přeprogramováním softwaru pro údržbu baterií, a to bez jakýchkoli dodatečných nákladů nebo změn zařízení, materiálů nebo výrobního procesu."

Jak se ale lithiová baterie stane dlouhodobě udržitelným akumulátorem, který lze opakovaně dobíjet? Současné nejrozšířenější lithium-iontové akumulátory se skládají ze dvou elektrod: grafitové anody a lithiové katody. Tyto elektrody jsou odděleny kapalným nebo pevným elektrolytem, který má za úkol přenášet ionty lithia.

Oproti tomu se v lithium-metalických bateriích místo grafitové anody používá galvanicky nanesené lithium, což dokáže v poměru ke hmotnosti a objemu uchovat podstatně více energie – až dvojnásobek ve srovnání s běžnými Li-ion bateriemi.

Při vybíjení takové baterie se ale nejmenší částice kovového lithia izolují a zůstávají uvězněny v mezifázi pevného elektrolytu (SEI). Vytvoří se vrstva, která narušuje tok energie a ukládání iontů.

Podařilo se najít rozhodující řešení?

Při pokusu o dobití vybitého lithium-metalického akumulátoru se s každým cyklem rychle snižuje jeho využitelná kapacita. Výzkumníci však našli řešení. Předchozí studie ukázaly, že matrice SEI se při nečinnosti baterie pomalu rozpouští. Nyní vědci chtěli zjistit, co se stane, když vybitá lithiová baterie delší dobu odpočívá.

"Prvním krokem bylo úplné vybití baterie, aby jí už neprotékal žádný proud," vysvětluje Zhang. "Vybíjením se z anody odstraní veškeré kovové lithium a zůstanou jen neaktivní izolované kousky lithia, obklopené matricí SEI."

Doktorand chemie Philaphon Sayavong, který se na studii také podílel, dále vysvětluje: "Zjistili jsme, že část matrice SEI, obklopující mrtvé lithium, se rozpustí, když baterie zůstane ve vybitém stavu pouhou jednu hodinu. Při dobíjení se mrtvé lithium znovu spojí s anodou, protože mu v cestě stojí méně pevné hmoty. Lithiová baterie by tak mohla být oživena."

Yi Cui, profesor fotoniky a hlavní autor studie, shrnuje: "Až dosud jsme si mysleli, že ztráta energie je nevratná. Naše studie však ukázala, že ztracenou kapacitu můžeme obnovit tím, že vybitou baterii jednoduše necháme odpočívat."

Co to ale znamená pro elektromobilitu? To budeme muset na dobíjecích stanicích čekat hodiny?

Praktický přínos pro současný provoz e-aut je v podstatě minimální. Lze jen těžko očekávat, že řidiči budou na cestách čekat hodiny, než se dobije jejich lithium-kovový akumulátor. Mohl by to ale vyřešit například systém výměny baterií, který u našich západních sousedů zavedl čínský výrobce Nio.
 

Existují také návrhy řešení, jak by s touto technologií mohla fungovat trvale instalovaná baterie. Vzhledem k tomu, že autobaterie se skládá z několika stovek až tisíců článků, mohly by být tyto články použity v blocích a řízeny tak, aby jeden blok měl vždy dobu odpočinku.

"Náš protokol můžete implementovat stejně rychle, jako můžete napsat kód pro správu baterií," vysvětluje Cui. "Domníváme se, že u některých typů lithium-metalických baterií může samotná klidová fáze ve vybitém stavu výrazně prodloužit životnost článků."

Zdroj: SciTechDaily