Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda i Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda (SLAC) postanowili odchudzić ogniwa Li-ion, by zmniejszyć ich masę, a tym samym zwiększyć gęstość zgromadzonej energii. Przerobili w tym celu warstwy odprowadzające ładunek na zewnątrz: zamiast wykorzystywać szerokie płachty miedzi lub aluminium, wykorzystali wąskie paseczki metalu uzupełnione warstwą polimeru.
Wyższa gęstość energii w Li-ion bez dużych nakładów inwestycyjnych
Każde ogniwo Li-ion to rulon składający się z warstwy od-/wprowadzającej ładunki, elektrody, elektrolitu, elektrody i warstwy w-/odprowadzającej ładunki (ang. current collector), w tej właśnie kolejności. Te najbardziej zewnętrzne części mają postać metalowych folii wykonanych z miedzi lub glinu. Pozwalają one elektronom uciekać z ogniwa i do niego wracać.
Naukowcy ze Stanforda i SLAC postanowili zająć się właśnie kolektorami, ponieważ ich waga stanowi często kilkadziesiąt procent wagi całego ogniwa. Zamiast stosować płachty miedziane wykorzystali folie polimerowe z wąskimi paskami miedzi. Okazało się, że można dzięki temu zmniejszyć wagę kolektorów nawet o 80 procent:
Klasyczne cylindryczne ogniwo Li-ion to długi rulon składający się z kilku warstw. Naukowcy ze Stanforda i SLAC odchudzili warstwy zbierające ładunki i wyprowadzające je na zewnątrz – kolektory prądu. Zamiast płacht miedzianych zastosowali płachty polimerowo-miedziane wzbogacone o niepalne związki chemiczne (c) Yusheng Ye/Stanford University
To nie wszystko: polimer może zostać uzupełniony o związki chemiczne utrudniające zapłon – i wtedy wraz z niższą masą przychodzi niższa palność ogniw:
Podatność na zapłon folii miedzianej zastosowanej w klasycznym ogniwie Li-ion oraz zbieraka zaprojektowanego przez amerykańskich badaczy (c) Yusheng Ye/Stanford University
Badacze twierdzą, że przeprojektowane kolektory umożliwiają zwiększenie grawimetrycznej gęstości energii ogniw o 16-26 procent (=16-26 procent więcej energii w tej samej jednostce masy). To znaczy, że bateria o tej samej objętości i mieszcząca tyle samo energii mogłaby być nawet o 20 procent lżejsza od obecnych.
W przeszłości próbowano już optymalizacji kolektorów, ale ich modyfikacja powodowała niespodziewane skutki uboczne. Ogniwa stawały się niestabilne lub wymagały większej ilości [drogiego] elektrolitu. Wariant opracowany przez naukowców ze Stanforda najwyraźniej nie powoduje takich problemów.
Opisywane udoskonalenia znajdują się na etapie wczesnych prac badawczych, nie należy się więc spodziewać, że trafią na rynek przed 2023 rokiem. Zapowiadają się jednak obiecująco.
Warto dodać, że również Tesla ma ciekawy pomysł na zbierające ładunki warstwy metalu. Zamiast stosować cienkie paski z miedzi przez całą długość rulonu i wyprowadzać je tylko w jednym miejscu (na środku), wyprowadza je na zewnątrz natychmiast z użyciem pociętej, nakładającej się na siebie krawędzi. To sprawia, że ładunki przebywają znacznie krótszą drogę (opory!), a miedź pozwala na dodatkową transmisję ciepła na zewnątrz:
> Ogniwa 4680 w nowych akumulatorach Tesli będą chłodzone od góry i od dołu? Tylko od dołu?
