Laboratorium Jeffa Dahna na kanadyjskim Dalhousie University, którego prace fundowane są przez Teslę i agencję rządową NSERC, opublikowało wyniki badań nad ogniwami Li-ion zbudowanymi w oparciu o monokrystaliczne katody. Okazuje się, że po 6 latach (!) pracy nie widać po nich żadnych oznak starzenia, które są charakterystyczne dla typowych ogniw Li-ion. Użycie ich sprawi w niedalekiej przyszłości, że baterie samochodów elektrycznych będą najbardziej długowiecznym ich elementem.
Długowieczne baterie Li-ion za progiem
Dalhousie University to jeden z najbardziej zaawansowanych uniwersytetów w świecie Zachodu, gdy chodzi o badania nad ogniwami Li-ion z klasycznymi wysokoniklowymi katodami – właśnie za sprawą bliskiej współpracy z Teslą, która, jak się domniemuje, regularnie wdraża odkryte przez naukowców innowacje. W opublikowanej właśnie pracy podzielono się efektami obserwacji klasycznych ogniw Li-ion z katodami NMC622 oraz pracujących obok ogniw z monokrystalicznymi (ang. single crystal) katodami NMC532.
W klasycznych ogniwach Li-ion stosuje się elektrody zbudowane z rozdrobnionych produktów: grafitu (anoda) i kryształów niklu-manganu-kobaltu (NMC). Dzięki wielokrotnemu walcowaniu mają one bardzo duży stosunek powierzchni do objętości, ale wymagają specjalnych spoiw, żeby się nie rozpadły. Mimo tego regularna wędrówka jonów w ich strukturach powoduje stopniowe kruszenie elektrod, co przekłada się na spadek pojemności i wydajności. Widać to na zdjęciach wykonanych z użyciem tomografii komputerowej wykorzystującej promieniowanie synchrotronowe (źródło):
Przekrój przez klasyczne saszetkowe ogniwo Li-ion (c) Toby Bond, Roby Gauthier, Graham King, Reid Dressler, Jeffin James Abraham and J. R. Dahn / Dalhousie University
Ogniwo po lewej na górze to kontrolne ogniwo Li-ion, po procesie formowania. Są w nim zalane elektrolitem warstwy elektrod oraz przestrzeń na gaz. Struktury katody w powiększeniu (po lewej na dole) są ładne, zaokrąglone. W środku znajduje się ogniwo używane „lekko” przez 1,25 roku. Ubyło w nim elektrolitu (związał się w warstwie SEI oraz wypełnił mikroszczeliny), struktury katod mają mikropęknięcia (strzałki), wydają się nieostre. Ogniwo po prawej to ogniwo używane „ciężko” przez 2,5 roku. Elektrolitu jest w nim jeszcze mniej a struktura katody sprawia wrażenie mocno nieostrej, bo zniszczyły ją rozpychające się jony litu.
Przekrój przez ogniwo monokrystaliczne (na górze po lewej), nowe i pracujące (a, b). Mikroskopowy obraz katody takich ogniw (c i d). Na dole materiał porównawczy, klasyczne ogniwo z katodą NMC622 (c) Toby Bond, Roby Gauthier, Graham King, Reid Dressler, Jeffin James Abraham and J. R. Dahn / Dalhousie University
W ogniwie Li-ion z katodą monokrystaliczną naukowcy nie byli w stanie odróżnić mikroskopowego obrazu ogniwa nowego i takiego, które pracowało przez sześć lat (na górze po prawej, c i d), chociaż ubyło w nim elektrolitu. Krystaliczny blok katody okazał się znacznie bardziej odporny na wędrówkę jonów. Degradacja ogniwa była minimalna, 80 procent pojemności fabrycznej osiągnięto po 20 000 cykli pracy. Jeśli przyjmiemy, że zasięg typowego samochodu elektrycznego wynosi 350 kilometrów, otrzymamy ponad 6 milionów kilometrów przebiegu. Bateria elektryka przeżywałaby kilka do kilkunastu aut (źródło):
Degradacja klasycznych ogniw Li-ion z katodą polikrystaliczną (niebieska linia) oraz ogniw z katodą monokrystaliczną (pomarańczowa linia) (c) Toby Bond, Roby Gauthier, Graham King, Reid Dressler, Jeffin James Abraham and J. R. Dahn / Dalhousie University
Jak mówią naukowcy, ogniwa monokrystaliczne są już wytwarzane komercyjnie i powinny trafić na rynek w nadchodzących latach.
Nota od redakcji Elektrowozu: jak to wielokrotnie podkreślaliśmy – w laboratoriach powstają nowsze i lepsze ogniwa Li-ion, ale im są trwalsze, tym dłużej trwa sprawdzanie ich sprawności. Sześć lat i 20 000 cykli pracy oznacza, że badania rozpoczęto w 2018 roku. Czyli komercyjnie dostępnymi monokrystalicznymi katodami dysponowaliśmy już w minionej dekadzie.
