Lithium-vzduchové akumulátory: dosažena hustota 685 Wh/kg
11.2.2023, Milan Šurkala, aktualita
Vědci hledají náhrady za dnešní Li-Ion akumulátory, které mají mnoho různých problémů. Už dnes se začínají vyrábět např. sodíkové baterie, dalším řešením mohou být Li-Air, tedy lithium-vzduchové články. Ty slibují nebývalou hustotu.
Týmů, které se snaží vylepšit stávající akumulátory typu Li-Ion, nebo přijít s úplně novými typy baterií, je spousta. Některé z nich se už pomalu dostávají na trh a v následujících letech by mělo dojít ke značným změnám. Už dnes se vyrábí např. sodíkové články Na-Ion, které by se ještě letos měly objevit v prvních motorkách a elektromobilech, hned několik různých typů solid-state článků je už testováno v autech, kde se často přechází na anodu z kovového lithia. Vědci z Illinois Institute of Technology (IIT), University of Illinois-Chicago (UIC) a Argonne National Labs představují právě něco takového. Zatímco ale většina solid-state článků je stále v podstatě stále Li-Ion s dílčími změnami, tento tým ukázal akumulátory Li-Air, tedy lithium-vzduchové články. I zde se však pracuje s lithiovými ionty. Sám princip nicméně není nic nového, ten už byl objeven před půl stoletím.
V reakci zde figuruje kovová anoda z lithia a porézní struktura jako katoda, která může do reakce poskytnout molekuly kyslíku. Zde vstupuje do hry pevný elektrolyt oddělující tyto dvě elektrody, kompozit keramických a polymerních materiálů (obsahuje nanočástečky Li10GeP2S12). Tím, že je pevný, by měl nabídnout vyšší bezpečnost než tekutý. Použitý elektrolyt umožňuje 15krát rychlejší přechod iontů lithia než dosavadní zkoušené pevné elektrolyty, zároveň ale představuje bezpečnostní bariéru pro izolaci anody před přímým přístupem (a tedy explozí). Je zde ale ještě jedna změna. Zatímco dosud se u lithium-vzduchových akumulátorů zpravidla končilo na LiO2 a Li2O2, díky novému elektrolytu a vzniku povlaku zabraňujícímu přílišnému přístupu kyslíku do reakce (vzhledem k množství lithiových iontů) se může pokračovat až na Li2O, tedy místo jednoho (LiO2) nebo dvou elektronů (Li2O2) na molekulu kyslíku dojde k přesunu čtyř. Katalyzátorem reakce je Mo3P, což je relativně levný materiál.
Při testech se ukázalo, že akumulátory ztratily po 1200 nabíjecích cyklů pouhých 5 % kapacity (připomeňme, že většinou jsou životnosti Li-Ion udávány okolo 500-1000 cyklů na 20-30% pokles), což je výrazně lepší hodnota (s výjimkou Li-Ion LFP). Nejzajímavějším parametrem je tu ale jednoznačně hustota. Ta totiž dosáhla 685 Wh/kg, což je 2,5krát více, než mají dnešní typické články z horní hranice spektra hustot, a asi 2násobek toho, co by se mělo ve světě Li-Ion objevit v následujících 2-3 letech (např. NIO by v těchto týdnech mělo začít vyrábět vozy se semi-solid-state akumulátory s 360 Wh/kg). Hovoří se o tom, že v budoucnu by se hustota Li-Air akumulátorů mohla dostat až na 1000 Wh/kg.
Pokud by se těchto 685 Wh/kg povedlo dotáhnout i do sériové výroby (brzy to jistě nebude, pokud vůbec někdy), např. články s 1 MWh pro tahač zajišťující 600-800km dojezd by vážily jen 1,5 tuny, což je zhruba hmotnost naftového motoru s převodovkou. Akumulátor by byl pochopitelně ještě o pár set kg těžší, protože nejde jen o články, ale také o obal a další příslušenství, naftový tahač by měl zase několik set dalších kg v naftě a dalších kapalinách. U 100kWh akumulátoru pro osobní auto by to znamenalo v článcích zhruba 150 kg, pak by něco přidal samotný obal, chlazení a další součásti.
