Pracujące dla Tesli laboratorium Jeffa Dahna zajmujące się rozwijaniem nowych ogniw Li-ion potwierdziło, że dysponuje ogniwami opartymi na niklu, które powinny wytrzymać ponad wiek pracy, o ile tylko ich temperatura zostanie utrzymana na poziomie temperatury pokojowej, do 25 stopni Celsjusza. Co nie jest szczególnie trudne w większości schematów eksploatacji.
Monokrystaliczna katoda NMC, nowy elektrolit, stabilna temperatura, niskie napięcie maksymalne = wiek ciągłej pracy
Spis treści
Choć ciekawostki dotyczące nowych ogniw wypływały już na światło dzienne przy okazji prezentacji, jakie organizował Jeff Dahn, dopiero teraz poznaliśmy ich budowę. Otóż zawierają one monokrystaliczne katody nikiel-mangan-kobalt (NMC532), grafitowe anody i elektrolit oparty na solach litowo imidowych (LiFSI) zamiast heksafluorofosforanie litu (LiPF6). Konkurencją dla LiFSI są sole LiTDI – piszemy o nich nieco więcej na końcu artykułu.
Budowa elektrody i nowe sole zagwarantowały wysoką stabilność ogniw podczas pracy w stosunku do ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych, którymi posłużono się jako benchmarkiem. Nowe ogniwa mają funkcjonować „znacząco dłużej” od LFP przy temperaturach wynoszących 40, 55 i 70 stopni Celsjusza, a przy utrzymaniu temperatury [do] 25 stopni Celsjusza są one praktycznie nieśmiertelne. Z analizy starzenia się materiałów wysnuto wniosek, że wytrzymają stulecie i dłużej.
Jednym z warunków długowieczności może być też ładowanie do 3,8 V zamiast typowych ~4,2 V. Jak pisze Dahn niższe napięcie zastosowano celowo, by ułatwić sobie porównanie z ogniwami LFP. Choć wykorzystywano tylko część pojemności – w ogniwach z katodami opartymi na niklu napięcie płynnie spada wraz z ilością dostępnej energii – produkty labu pracującego dla Tesli miały wyższą pojemność niż konkurencyjne ogniwa LFP.
Elektrolity a ogniwa Li-ion
Światowej klasy ekspertem od elektrolitów jest profesor PW Leszek Niedzicki, syn znanego popularyzatora nauki, Pana Wiktora Niedzickiego. Pan Leszek Niedzicki wraz ze swoim zespołem z Politechniki Warszawskiej opracował elektrolity oparte na solach LiTDI. Zostały one opatentowane i od 2018 roku bywają stosowane jako dodatki w nowoczesnych ogniwach Li-ion, by zwiększyć ich trwałość. Lekko i przystępnie ten temat został wyłożony w slajdach do wykładów Pana Niedzickiego, które odbywają się na kierunku Inżynieria Pojazdów Elektrycznych i Hybrydowych Politechniki Warszawskiej.
Spytaliśmy go swego czasu o jego odkrycie i wpływ elektrolitu na żywotność baterii („potrajanie długości życia”). Oto, co nam odpowiedział:
Stopień wydłużenia czasu życia zależy od tego, czy sól LiTDI zostanie zastosowana jako główny elektrolit, czy jako dodatek do dotychczasowej technologii, a także warunków (im bardziej „ostre”, np. temperaturowo, tym większa różnica między działaniem „bez” i „z”). Generalnie firma produkująca sól przedstawiła wyniki oficjalnych testów, z których wynika, że „wydłużają one życie ogniwa między 2 a 3 razy w stosunku do analogicznych ogniw w tych samych warunkach bez LiTDI”.
Z własnego doświadczenia wiem, że największe różnice są przy zastosowaniu nowych generacji elektrod, np. z krzemem. Nasze własne badania na anodach z zawartością 50 procent krzemu i 50 procent grafitu pokazywały, że w tych samych warunkach dotychczasowy elektrolit (LiPF6) tracił pojemność poniżej 80 procent pojemności nominalnej już poniżej 60 cykli, natomiast nasz elektrolit działał powyżej 500 cykli bez utraty więcej niż paru procent.
Nigdy nie dociągnęliśmy eksperymentu tak daleko, żeby zobaczyć, kiedy by zeszło poniżej 80 procent nominalnej, ale jak widać, daleko i kilkanaście razy dłużej.
Tempo cyklowania zmniejsza czas życia proporcjonalnie dla różnych technologii. Bardziej jest tutaj odpowiedzialny materiał anod i katod za to, np. LiFePO4 będą miały dłuższy czas życia, a np. NMC krótszy. Elektrolit oczywiście ma na to wpływ i to niebagatelny, ale dla każdego zestawu elektrod inny (podobnie ma zresztą różny wpływ dotychczasowa technologia LiPF6). Po szczegóły różnic w cyklowaniu zależnie od warunków, głębokości cyklowania, itd. ponownie pozwolę sobie wskazać mój wykład – ostatnia strona wykładu Akumulatory nr 6, tam zamieszczam kilka obrazków wyjaśniających wszystko jak na dłoni:
