Naukowcy z University of Michigan oraz firmy Arbor Battery Innovations odkryli, co zrobić, żeby baterie Li-ion ładowały się szybciej podczas mrozów. Zaproponowali, żeby pokryć specjalnie uformowaną anodę (poli)węglanami boranu litu w postaci szklistej powłoki o grubości zaledwie 20 nanometrów. Efektem będą ogniwa wytrzymujące moc wynoszącą do 6 C, czyli dające się naładować w określonym przedziale (np. 10 -> 80 procent) w ciągu 10 minut. Dodajmy, że są już na rynku chińskie baterie Li-ion, które obiecują podobne parametry.
Dlaczego ładowanie na mrozie jest problemem i co z tym robimy
Ładowanie to proces wędrówki jonów litu z katody do anody. Gdy temperatury są niskie (zero i mniej stopni Celsjusza), przestrzenie w anodzie robią się małe (patrz: rozszerzalność cieplna), więc jony litu z trudem znajdują sobie miejsce do zakotwiczenia. Próba przyspieszenia ich wędrówki (podkręcenie mocy) spowoduje, że zamiast lokować się w we wnętrzu anody, pokryją jej powierzchnię (platerowanie litem). Znacząco obniży to pojemność ogniwa, może też doprowadzić do uszkodzenia anody czy nawet ogniwa (dendryty).
Producenci samochodów elektrycznych najpierw w ogóle nie radzili sobie z problemem, więc zimą samochody elektryczne potrafiły się ładować dwa-trzy-pięć razy dłużej niż podczas optymalnych temperatur. Później firmy od ogniw Li-ion zwiększyły grubość anod. Następnie firmy motoryzacyjne zaczęły podgrzewać baterie, co kosztuje pewną ilość energii, ale wydatek ten jest niewspółmierny w stosunku do zysków. W końcu chińscy producenci ogniw Li-ion znaleźli sposoby materiałowe, zoptymalizowali elektrolity i powłoki elektrod, by na mrozach trzymać wysoką moc ładowania. Takie baterie właśnie trafiają na rynek (patrz też: BYD Han L).
Problem polegał na tym, że Zachód nie wiedział, co konkretnie zoptymalizowano. Pierwszą odpowiedź mają badacze z Michigan (Stany Zjednoczone): anodę trzeba ponakłuwać laserami, żeby wytworzyć w niej kanały, za pomocą których jony mogą głębiej penetrować jej strukturę (lewa część ilustracji). Następnie należy pokryć ją zeszkloną powłoką z poliwęglanów boranu litu, czyli soli boru z dokooptowanym atomem litu połączonych w duże struktury (źródło; prawa część ilustracji). Grubość warstwy to 20 nanometrów, czyli zaledwie kilka pięter cząsteczek poliwęglanów.
Możemy się domyślać, że atomy litu wbijają się w siatkę zamiast rozlewać się po powierzchni elektrody, po czym swobodnie wędrują w głąb anody. Badacze utrzymują, że tak przygotowane ogniwa bez problemu obsługują ładowania z mocami 4-6 C w temperaturach nawet do -10 stopni Celsjusza. Po 100 cyklach takiego szybkiego ładowania utrzymały one 97 procent pojemności (degradacja: 3 procent; źródło).
