Pracujące dla Tesli laboratorium Jeffa Dahna zaproponowało nowy rodzaj ogniwa. To hybryda, w której połączono ogniwo litowo-jonowe (Li-ion) z litowo-metalowym (Li-metal, LMB). Stworzono w ten sposób ogniwa o wyższej gęstości energii, oferujące duże zasięgi i posiadające wystarczający czas życia.

Ogniwa litowo-metalowe = przyszłość, ale po stabilizacji

Ogniwa litowo-jonowe znamy, korzystamy z nich w telefonach, laptopach, samochodach elektrycznych. Ogniwa litowo-metalowe to ich kolejne wcielenie, w których katoda może być klasyczna (np. NMC), ale anoda wykonana jest z metalicznego litu. Jako że o pojemności baterii decyduje liczba jonów litu, które mogą przewędrować między elektrodami – oddając lub przygarniając przy okazji elektrony – im więcej litu w ogniwie, tym lepiej.

> Nowy tydzień i nowa bateria. Teraz elektrody z nanocząstek tlenków manganu i tytanu zamiast kobaltu i niklu

Jednak ogniwo litowo-metalowe ma jedną poważną wadę: na wykonanej z metalicznego litu anodzie szybko formują się rozgałęzione dendryty, które z czasem dosięgają katody, prowadzą do zwarć, mogą nawet spowodować zapłon ogniwa.

Dendryty w baterii Li-ion

Toczące się obecnie badania ogniw litowo-metalowych polegają na próbach opakowania litowej anody w rozmaite związki chemiczne, które powstrzymują wzrost dendrytów. I tutaj dochodzimy do sedna, czyli prac Jeffa Dahna.

Dahn proponuje praktyczne zastosowanie mechanizmu, który zachodzi w ogniwach Li-ion w trakcie ich pracy: platerowanie grafitowej anody litem. Dotychczas platerowanie kojarzyło się z degradacją, uwięzieniem części litu na anodzie. Dahn twierdzi jednak, że dysponuje elektrolitem, który przy odpowiednim ciśnieniu odwraca cały proces, a więc jest w stanie wyrwać lit z grafitu (źródło).

W skrócie: mamy klasyczne ogniwo Li-ion z grafitową anodą, którą Dahn celowo pokrywa cienką warstwą litu.

Długowieczność dzięki pracy w trybie Li-ion plus dodatkowa pojemność w trybie Li-metal

Zgodnie z danymi podanymi przez Dahna, klasyczne ogniwo Li-ion dysponuje gęstością energii wynoszącą 0,72 kWh/l, tymczasem ogniwo hybrydowe Li-ion/Li-metal – 0,89 kWh/l. Mamy więc wzrost maksymalnej pojemności o 23,6 procent przy tej samej objętości, co przekłada się na zasięgi samochodu elektrycznego wynoszące odpowiednio 400 i 480 kilometrów na jednym ładowaniu (źródło).

> Współtwórca Li-ion opatentował ogniwa litowo-szklane. Zastosowane w elektryku: 1 000+ km zasięgu, ~1 MW mocy ładowania

Cytowane przez naukowca inne badania pokazują, że zaledwie 1 procent dziennych podróży odbywa się na dystansie większym niż (średnio) 325 kilometrów. Bateria może więc pracować w cyklu zasięgu wynoszącym około 300 kilometrów, a więc w przedziale, dajmy na to, 15-85 procent, wykorzystując tylko część pojemności (Dahn podaje tu liczbę 0,53 kWh/l).

W takich warunkach ogniwo hybrydowe zachowuje się jak klasyczne ogniwo litowo-jonowe. Dodatkowa warstwa litu na anodzie nie jest eksploatowana, co gwarantuje dużą liczbę cykli pracy.

Gdy pojawia się konieczność przejechania większego dystansu, właściciel samochodu ładuje auto do pełna i rozładowuje je niemal do zera. Potrzeba przechowania dużego ładunku spowoduje sięgnięcie po dodatkową pojemność gwarantowaną przez lit na anodzie. Ogniwo Li-ion przeistoczy się więc na krótki czas w ogniwo Li-metal.

> Samsung zaprezentował ogniwa ze stałym elektrolitem. Strzelamy: za 2-3 lata będą na rynku

Na razie tylko prace badawcze

Opisywany przez Dahna mechanizm pozostaje na razie w sferze badań. Ogniwa hybrydowe są w stanie wytrzymać 150 pełnych (= Li-ion + Li-metal) cykli pracy zanim ich pojemność spadnie do poziomu 80 procent pojemności pierwotnej. To około 72 tysiące kilometrów przebiegu, czyli stosunkowo niewiele.

Jeśli jednak przywołamy wcześniejsze badania, z których wynika, że zaledwie 1 procent podróży odbywa się na dystansie powyżej 325 kilometrów, sytuacja zmienia się diametralnie. Mamy bowiem 99 cykli w bezpiecznym przedziale 300 kilometrów (29,7 tysiąca kilometrów) i 1 cykl wykorzystujący pełną pojemność (480 kilometrów).

Te 150 pełnych cykli pracy rozciąga się więc na 4,5 miliona kilometrów przebiegu.

Nawet gdyby założyć, że pełne cykle odbywają się nieco częściej, na przykład w proporcjach 10:90 – bo trzeba wyjechać na wakacje, na urlop, na ferie, do rodziny – 150 pełnych cykli pracy osiągniemy przy około 0,5 miliona kilometrów przebiegu. W polskich warunkach to od 10 (auta służbowe) do niemal 40 lat eksploatacji (samochody prywatne, dane GUS).

> BASF: Jeszcze w tym roku start produkcji składników do ogniw NCM 217. Tańsze i gęstsze niż dotychczas, ale…

To może Cię zainteresować:
Ocena ogólna
Ocena Czytelników
[Suma: 8 głosów Średnia: 4.3]