Hyundai przygotowuje się do ogniw ze stałym elektrolitem. Patentuje baterię z komorą ciśnieniową

Mało kto wie, że ogniwa ze stałym elektrolitem wymagają bardzo ścisłej kontroli objętości, ponieważ przy litowych anodach, które powstają w trakcie ładowania – pęcznieją. Większość firm się tym nie chwali, ale na przykład QuantumScape ujawnia od dawna, że testuje swoje ogniwa solid-state przy ciśnieniu 3,3-3,4 atmosfery. Hyundai właśnie opatentował technologię, która ma pomóc w utrzymaniu procesu w ryzach.

Ogniwa solid-state i pęcznienie

Hyundai otrzymał patent na swoje rozwiązanie pod koniec 2023 roku. Wynika z niego, że we wnętrzu baterii znajduje się komora ciśnieniowa stabilizowana cieczą. Oprócz tego mamy zbiornik z tą właśnie cieczą [czyżby niesławny niebieski płyn chłodzący? – red., złośliwie ;)], pompę, kontroler, czujniki ciśnienia i temperatury. Reszta zestawu jest dość standardowa, elektronika pilnująca, żeby ogniwa pracowały w optymalnym dla siebie zakresie.

Z dokumentacji, do której dotarł portal ArenaEV, wynika, że ogniwa pracujące pod ciśnieniem wykazują się znacznie lepszą żywotnością, tj. mniejszą degradacją z liczbą cykli pracy. Wartości nie znamy, ale przebieg krzywej robi wrażenie – o ile tylko słowo EXAMPLE oznacza faktycznie pracujące ogniwo, a nie teoretyczny model. Z drugiej strony: brak skali na osi odciętych pozwala nam spekulować, że testowane przez Hyundaia ogniwa solid-state wykazują się raczej umiarkowaną żywotnością.

Konkluzja? Jeśli ogniwa ze stałym elektrolitem wejdą do powszechnego użytku, będą wymagały albo całkowicie hermetycznych baterii działających pod ciśnieniem, albo też ogniw ściśniętych, dajmy na to, blachami z płynem chłodniczym. Obydwa rozwiązania mają swoje wady i zalety.

Dla zainteresowanych – trochę teorii

W pierwszych ogniwach Li-ion eksperymentowano z anodami z czystego litu, jako najbardziej pojemnymi. Ale takie ogniwa miały poważną wadę: podczas pracy narastały w nich litowe dendryty, które stopniowo docierały do przeciwnej elektrody i powodowały efektowne krótkie spięcie. Poświęcono całe dziesięciolecia na badanie sposobów hamowania wzrostu litowych dendrytów (anody z innych materiałów, elektrolity rozpuszczające lit itd.), jednak marzeniem praktycznie od początku był stały elektrolit, który fizycznie zablokowałby formujące się litowe gałązki.

Mechanizmy wzrostu litowych dendrytów (po lewej), ich formy (po prawej) i metody na radzenie sobie z nimi przy wykorzystaniu nierównego podłoża (na dole po obu stronach) (c) Arizona State Unicersity, Rice University

W bieżącej dekadzie naukowcy zrobili spore postępy w kwestii stałych elektrolitów, które przepuszczają jony i nie wymagają podgrzewania do kilkudziesięciu czy nawet stu kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Wraz z tymi technologiami wrócił pomysł na stosowanie ogniw bezanodowych, czyli takich, gdzie nie ma anody, bo ta buduje się z litu podczas ładowania. Problemem jest fizyka: wypływający ze szczelin katody lit musi gdzieś się zmieścić, bo katoda się NIE kurczy, a anoda rozbudowuje – ogniwo puchnie.

W przypadku anod krzemowych puchnięcie hamuje się stosując grafenowe siatki, które pętają strukturę niczym sznurek trzymający w ryzach szynkę. Gdy jednak anoda formuje się i znika w każdym cyklu pracy, ta metoda nie spełni egzaminu. Potrzebne jest ciśnienie pilnujące, żeby ogniwo się nie powiększało. I właśnie tego dotyczy patent Hyundaia, w którym ciśnienie w obrębie baterii zapewniane jest przez bliżej niezidentyfikowaną ciecz.

Nota od redakcji Elektrowozu: dziękujemy Panu Markowi z Iksa za zwrócenie uwagi na temat.