Wygląda na to, że zanim ogniwa ze stałym elektrolitem trafią na rynek, to klasyczne ogniwa Li-ion przejdą szereg optymalizacji, które sprawią, że ogniwa solid-state staną się przestarzałe. Naukowcy z University of Twente (Holandia) właśnie opublikowali wyniki badań nad ogniwami, w których grafitową anodę zastąpiono anodą opartą na niklu i niobie. Efekty są rewelacyjne.
Nioban niklu (NiNb2O6) / NNO zamiast węgla i krzemu
We współczesnych ogniwach Li-ion stosuje się anody węglowe, zwykle grafitowe, niekiedy domieszkowane krzemem. Wiele ośrodków badawczych pracuje nad całkowitym zastąpieniem węgla krzemem, są już nawet pierwsze ogniwa oparte na tym ostatnim pierwiastku. Z dużej ilości krzemu planuje korzystać również Tesla w ogniwach 4680.
Badacze z Uniwersity of Twente kompletnie zarzucili ten kierunek. Zastąpili obydwa wspomniane pierwiastki niobanem niklu. Związek jest stosunkowo tani w przygotowaniu, nie wymaga mielenia w celu uzyskania drobin o wielkościach setek nanometrów (ang. nanosizing). W dodatku w jego kryształach występuje tylko jeden rodzaj tuneli, w których mogą schować się jony litu.
Kiedy ładujemy ogniwo i jony litu wpychają się w struktury anody, mogą rozpychać obecną tam strukturę atomową. Anoda krzemowa może spuchnąć do trzykrotnej (!) objętości, popękać i utracić właściwości. Tymczasem w anodach z niobanu niklu zachodzą tylko minimalne zmiany objętości. Dzięki temu są one w stanie wytrzymać 20 000 cykli ładowania z mocami wynoszącymi 100 C i utrzymać 81 procent pierwotnej pojemności (źródło)! To tak, jakby ładować baterię Tesli Model 3 Long Range mocami wynoszącymi 7 500 kW, 7,5 MW zamiast „marnych” 200-250 kW.
Charakterystyki anod NNO i kryształy niobanu niklu (prawy górny róg) widoczne pod mikroskopem
Jednak zwiększanie mocy ma swoje konsekwencje: im szybciej przepompowujemy jony litu między elektrodami, tym mniejszą pojemność osiąga anoda. Przy 5 C są to 2/3 pojemności pierwotnej, przy 100 C około 1/5 pojemności pierwotnej – ale przy zmniejszających się mocach pojemność anody wraca do normy.
Anody oparte na niobanie niklu przetestowano w prototypowych ogniwach z katodami litowo-żelazowo-fosforanowymi (LiFePO4) oraz opartymi na niklu-kobalcie-manganie (NCM811). Przy ładowaniu mocami wynoszącymi 5 C – byłoby to około 375 kW dla wspomnianej Tesli Model 3 LR – ich stabilność jest zdumiewająca, po 200 (LFP) i 1 000 (NCM) cykli wykazują pojemność niemal identyczną, jak na początku. Klasyczne ogniwa LFP / NCM prezentują się o wiele słabiej (niebieskie kropki):
Wszystkie ilustracje (c) autorzy pracy Nickel Niobate Anodes for High Rate Lithium-Ion Batteries
Nota od redakcji www.elektrowoz.pl: fantastyczne wieści. Dotychczas badacze skupiali się albo na domieszkowaniu krzemem, albo na procesie mielenia do drobin o wielkości setek nanometrów (patrz choćby badania nad tlenkami tytanu), albo wreszcie nad stosowaniem nanorurek lub grafenu. Spośród tych rozwiązań tylko krzem gwarantuje stosunkowo niskie koszty, ale z całym dobrodziejstwem inwentarza (rozpadanie się struktur pod naporem litu). Prace nad niobanem niklu / NNO brzmią jak świeży powiew, choć nawet jeśli wyniki się potwierdzą, to na komercjalizację poczekamy co najmniej 3-5 lat.
