Naukowcy z Rice University zbadali ogniwa litowo-grafenowe, w których wykorzystano asfalt naturalnego pochodzenia. Okazało się, że mogą być one ładowane mocami wyższymi 10-20-krotnie niż klasyczne ogniwa Li-ion i oferują gęstości energii ponad trzy razy wyższe niż najlepsze produkty dostępne dziś na rynku.
Baterie litowo-grafenowo-asfaltowe, czyli duża powierzchnia = dużo litu i węgiel blokujący dendryty
Współczesne baterie litowo-jonowe ładuje się z mocami, które nie przekraczają 1,5-2C, czyli 1,5-2 wartości pojemności baterii. A więc baterię o pojemności 50 kWh ładuje się z mocą nie wyższą niż 75-100 kW, dla 100 kWh byłoby to 150-200 kW i tak dalej.
> Baterie Li-S – rewolucja w samolotach, motocyklach i samochodach
Wszystko po to, by uniknąć przyspieszonej degeneracji ogniw oraz, co ważniejsze, wzrostu litowych dendrytów, które mogą prowadzić do nieodwracalnego uszkodzenia ogniwa czy nawet pożaru.
Litowe dendryty rosną tym szybciej, im wyższa jest moc ładowania i temperatura ogniwa. Gdy doprowadzą do stałego zwarcia między elektrodami, ogniwo nadaje się do wymiany
Naukowcy usiłują powstrzymać rozwój dendrytów opakowując elektrody rozmaitymi materiałami. Na przykład Samsung SDI pochwalił się zastosowaniem grafenowych kulek na powierzchniach elektrod. Powstrzymują one wzrost dendrytów, dzięki czemu umożliwiają podniesienie mocy ładowania, czyli przyspieszenie całego procesu – według naszych obliczeń ogniwa Samsunga pozwalają na ładowanie z mocą około 360 kW.
> Samsung SDI: mamy baterie, które dadzą +600 kilometrów zasięgu po 20 minutach
Anoda w ogniwie Samsunga SDI została pokryta grafenowymi kulkami, które hamują proces wzrostu dendrytów (c) Samsung SDI
Podobną drogą poszli badacze z Rice University. W testowanych przez siebie ogniwach naukowcy wykonali anodę z gilsonitu (naturalnego asfaltu) wymieszanego z grafenowymi nanorurkami i pokryli ją litem. Katodę wykonano z zasiarczonego węgla (ang. sulfurized carbon).
Okazało się, że bateria oferuje gęstość energii wynoszącą 0,943 kWh/kg i moc 1,322 kW/kg (źródło)! Gęstość energii jest oszałamiająca, udało się ją osiągnąć dzięki temu, że porowata anoda pozwala na obłożenie litem dużej powierzchni przy jednoczesnej zwartej przestrzeni (porównaj z fraktalami).
Dla porównania: najbardziej zaawansowane dziś ogniwa NCM 811 dysponują gęstością energii wynoszącą 0,3 kWh/kg. Mówi się, że podobnie jest w przypadku ogniw 2170 stosowanych w Tesla Model 3, które uważa się za wyprzedzające konkurencję o 2-3 lata.
Przełóżmy powyższe wartości na język samochodów elektrycznych: gdyby litowo-grafenowo-asfaltowe ogniwa wykorzystać do zbudowania baterii Nissana Leafa (2018), dałoby się w niej zmieścić co najmniej 120-150 kWh energii zamiast obecnych 40 kWh. Dałoby to samochodowi 700-900 kilometrów zasięgu na jednym ładowaniu.
To nie koniec. Okazało się, że [pochodzący z asfaltu?] węgiel spowalniał formowanie litowych dendrytów. W efekcie ogniwa można było ładować 10-20 razy szybciej, co oznacza 0,5-1 kW zamiast obecnych 0,05-0,1 kW! Baterie wykazały się stabilnością po ponad 500 cyklach ładowania-rozładowania, a to oznacza, że mogą nadawać się do zastosowań komercyjnych.
> Dlaczego ładowanie do 80 procent, a nie do 100? O co w tym chodzi? [OBJAŚNIAMY]
