Holenderska firma LeydenJar (pol. butelka lejdejska) pochwaliła się, że stworzyła gotową do produkcji krzemową anodę do ogniw Li-ion. Dzięki niej pojemność ogniw da się zwiększyć o 70 procent w stosunku do rozwiązań standardowych z anodami grafitowymi.
Krzem zamiast grafitu w anodach to dobry trop, ale trudny współpracownik
Spis treści
Krzem i węgiel należą do tej samej grupy pierwiastków: węglowców. W anodach ogniw Li-ion stosuje się węgiel w postaci grafitu, ale od dawna szukano sposobu, by zastąpić go tańszym i bardziej obiecującym pierwiastkiem – krzemem. Atomy krzemu budują luźniejszą przestrzennie, bardziej porowatą strukturę. A im bardziej porowata jest struktura, im większy jest stosunek powierzchni do objętości, tym więcej jest miejsc, w których mogą zakotwiczyć jony litu.
Więcej przestrzeni dla jonów litu to większa pojemność anody. Czyli większa pojemność baterii, która wykorzystuje taką anodę.
Z obliczeń teoretycznych wynika, że krzemowa anoda może przechować nawet dziesięciokrotnie (10x!) więcej jonów litu niż anoda grafitowa. Jednak ma to swoją cenę: podczas gdy grafitowe anody podczas ładowania zwiększają swoją objętość w nieznacznym stopniu, naładowana anoda krzemowa potrafi spuchnąć aż trzykrotnie (300 procent)!
Efekt? Materiał się kruszy, ogniwo błyskawicznie traci pojemność. Słowem: nadaje się do wyrzucenia.
LeydenJar: A my ustabilizowaliśmy krzem, ha!
W ostatnich kilkunastu latach udawało się częściowo uzupełniać grafit krzemem, by ugrać choć kilka procent dodatkowej pojemności. Układy takie stabilizowano rozmaitymi nanostrukturami, żeby efekt rozrostu sieci krzemowych nie uszkadzał ogniw. LeydenJar twierdzi, że opracowało metodę stosowania anod wykonanych w całości z krzemu.
Firma testowała krzemowe anody w dostępnych komercyjnie zestawach, np. z katodami NMC 622. Udało się osiągnąć gęstość energii wynoszącą 1,35 kWh/l, podczas gdy ogniwa 2170 stosowane w Teslach Model 3/Y oferują około 0,71 kWh/l. LeydenJar mówi o gęstości energii wyższej o 70 procent, co oznacza, że w akumulatorze o danej objętości można by zgromadzić o 70 procent więcej energii.
Przekładając to na Teslę Model 3 Long Range: zamiast realnych 450 kilometrów zasięgu osiągałaby 765 kilometrów na jednym ładowaniu. Bez powiększania baterii.
Pozostał problem wytrzymałości
Niestety, ogniwa LeydenJar na bazie krzemowych anod nie są idealne. Były w stanie przeżyć ponad 100 cykli pracy przy ładowaniu/rozładowywaniu z mocą równą 0,5 C. Standardem w branży jest co najmniej 500 cykli, a przy 0,5 C nawet niezbyt wyszukane ogniwa Li-ion powinny osiągnąć 800 i więcej cykli pracy. Dlatego firma pracuje nad zwiększeniem żywotności ogniw.
Nota od redakcji www.elektrowoz.pl: mówiąc o krzemie i graficie w ogniwach Li-ion, opowiadamy o anodach. Kiedy natomiast wspominamy o NMC, NCA czy LFP, czasem stosując zwrot „chemia ogniw”, mamy na myśli katody. Ogniwo to anoda, katoda, elektrolit i kilka jeszcze innych elementów. Każdy z nich ma wpływ na parametry.
Nota 2 od redakcji www.elektrowoz.pl: nie należy mylić procesu puchnięcia krzemowych anod z puchnięciem ogniw w torebkach. Te ostatnie pęcznieją z powodu wydzielającego się w środku gazu, który nie ma jak wydostać się ze środka.
Zdjęcie otwierające: wykrawanie czegoś 😉 (c) LeydenJar. Biorąc pod uwagę kontekst, prawdopodobnie patrzymy na krzemową anodę. Jeśli jednak zwrócimy uwagę na miękkość materiału (wygina się, daje się kroić skalpelem), mamy do czynienia z jakimiś silikonami, polimerami bazującymi na krzemie. Co samo w sobie jest intrygujące.
