Do pisma Advanced Materials trafił artykuł podsumowujący wyniki eksperymentów z elektrolitami zawierającymi związki chemiczne inne niż typowe rozwiązanie komercyjne. Nowe elektrolity sprawiają, że ogniwa Li-ion potrafią wytrzymać 3 000 cykli pracy przy ładowaniach z mocą 3 C (w 20 minut) oraz 4 C (w 15 minut) i to w pełnym przedziale, od 0 do 100 procent. Po tych 3 000 cykli pojemność ogniw spadała do okolic 80 procent pojemności fabrycznej, co jest degradacją około pięcio- do dziesięciokrotnie (!) wolniejszą niż w typowych ogniwach Li-ion podlegających podobnemu reżimowi.
Nowe elektrolity. Do wdrożenia szybciej niż ogniwa o zupełnie nowej strukturze
Spis treści
Wiele laboratoriów badawczych pracuje obecnie nad udoskonaleniem ogniw Li-ion. Z badaniami jest ten problem, że im trwalsze jest nowe ogniwo, tym więcej czasu zajmuje jego przetestowanie, bo wykonanie 3 000 cykli pracy rozciąga się na całe miesiące, szczególnie, gdy testy mają być realistyczne (szybkie ładowanie + niezbyt szybkie rozładowywanie). Dlatego odkrycia, o których obecnie czytamy, mogą mieć po kilka lat i dopiero teraz stopniowo wychodzą na światło dzienne. Podobnie może być z badaniami, które prowadzono na Uniwersytecie w Teksasie, w laboratorium prowadzonym onegdaj przez Johna B. Goodenougha.
Naukowcy postanowili zastąpić klasyczny, sprawdzony komercyjnie elektrolit oparty na węglanie etylenu (ang. ethylene carbonate, EC) na elektrolity z kategorii FCE, „elektrolity szybko-ładujące” (ang. Fast-Charging Electrolytes). Typowe rozwiązanie komercyjne, EC, powoduje, że na elektrodach pojawia się stopniowo warstwa pasywna, która nie tylko wiąże część jonów litu, ale też utrudnia przepływ pozostałych. Spowolniony przepływ jonów litu to większe opory wewnętrzne ogniwa, nagrzewanie się, konieczność stosowania wyższych natężeń itp. Elektrolity z kategorii FCE tworzą cienką i wysoce przepuszczalną warstwę pasywną na obu elektrodach (grafit + NMC811):
Ogniwo z elektrolitem komercyjnym (po lewej) kontra ogniwo z elektrolitami z kategorii FCE (po prawej). Brak ilustracji w lepszej rozdzielczości (c) Wiley
„Praktycznie brak degradacji” przy typowej pracy
Okazało się, że nowe elektrolity wytrzymują ładowania z wysokimi mocami (20 czy 15 minut do pełna) i gwarantują około 80 procent pojemności mimo 3 000 cykli pracy. Nawet przy -20 stopniach ogniwa zachowują 65 procent pojemności deklarowanej i są w stanie oddawać energię z mocą 2 C, tj. rozładować się w 30 minut. Przy pracy z mocami C/5 – rozładowanie w 5 godzin; C/3 do C/5 uznaje się za typowe cykle pracy baterii w samochodzie elektrycznym – ogniwa z nowymi elektrolitami „praktycznie nie degradowały” (źródło). Pewnym problemem było pochłanianie wilgoci, ale temu problemowi zaradzono stosując dodatki.
Degradacja elektrolitów po 180 dniach przechowywania. Brązowy kolor to zły znak, przezroczysty to elektrolit z dodatkiem, który przechwytuje wilgoć i sprawia, że ciecz zachowuje pierwotne parametry (c) ta i wszystkie pozostałe ilustracje: Zehao Cui, Chen Liu, and Arumugam Manthiram / The University of Texas at Austin
Ważnym aspektem opisywanych badań jest fakt, że stosowano typowe komercyjne ogniwa, z grafitowymi anodami i katodami opartymi na niklu-manganie-kobalcie. Podmiana elektrolitu na inny to stosunkowo prosta sprawa, może się zatem okazać, że opisywane odkrycia szybko trafią do użytku albo już funkcjonują w najnowszych ogniwach Li-ion.
Wzrost litowych dendrytów przy komercyjnym elektrolicie LP57 kontra brak litowych dendrytów przy stosowaniu elektrolitów z kategorii FCE
