Tenké proužky lithia jako cesta za lepšími akumulátory?

Lithiových akumulátorů existuje mnoho typů, mají různé výhody i nevýhody. Typické lithiové baterie v úložištích tak mají např. úplně jiné složení a odlišné vlastnosti než Li-Ion ve většině elektromobilů a vědci se pokouší vylepšit vlastnosti různých typů různými způsoby. V Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) si posvítili na články typu Li/NMC, které najdeme zpravidla v elektromobilech. Jednou ze slibných metod je nahrazení anody z grafitu anodou z čistého kovového lithia (není to zdaleka poprvé, co něco takového vědci zkoušeli, viz 1, 2, 3, 4, 5). Výhodou je vyšší energetická hustota, nevýhodou může být životnost. Vědci v PNNL zkusili, jak se na výkonu a životnosti projeví tloušťka samotných anod.

 

 

Povedlo se jim vytvořit proužky lithia o tloušťce pouhých 20 µm a na prototypu knoflíkové baterie dosáhli energetické hustoty 350 Wh/kg. Tenčí proužky umožňují dosáhnout lepších reakcí elektrolytu a anody. Lépe řečeno, tento přístup vylepšuje chtěné reakce a naopak potlačuje ty nechtěné (při širších proužcích putuje elektrolyt hlouběji a přestává reagovat s lithiem, což utlumuje chemickou reakci a přispívá k dřívější "smrti" akumulátoru).

 

Pro představu, většina dnešních akumulátorů se pohybuje okolo 200-250 Wh/kg, ty nejlepší (komerčně dostupné) jsou na hranici 270 Wh/kg. Pokud jde o životnost, nynější články obvykle hovoří o životnosti na 1000 cyklů, tyto nově prezentované si po 600 cyklech udržely 76 % původní kapacity, což sice není vyloženě špatné, ale rozhodně je ještě co zlepšovat. Nicméně je vidět, že se to děje. Zatímco před 4 lety dosáhla laboratoř s těmito články životnosti jen 50 cyklů, po dvou letech se už dostala na 200 cyklů a nyní je na 600 cyklech.

 

Tady jde krásně vidět, že akumulátory, o nichž vycházejí články ve vědeckých časopisech, zdaleka nebývají finálním výsledkem, ještě stále prochází dalším vývojem, který dokáže významně vylepšit jejich vlastnosti v průběhu času, a také to, že to opravdu hodně dlouho trvá. Zde tu máme 4 roky od prvních výsledků a stále není hotov ani vývoj v laboratoři, natož aby následovaly další kroky pro komercializaci článků. Cílem konsorcia Battery500 je vyvinout článek, který by dosahoval hustoty 500 Wh/kg. 

 

Pojďme se ale podívat na ty nyní představené v hypotetické a zjednodušené rovině, co by jejich nasazení při výše zmíněné životnosti znamenalo dnes. Pokud vezmeme dnešní komerčně dostupný článek s 270 Wh/kg, pak by např. 300 kg článků dalo 81 kWh. Při spotřebě 18 kWh/100 km bychom měli dojezd 450 km. Baterie stárne, takže počítejme, že po 1000 cyklech bude na 80 %, tedy na 360km dojezdu. Pro jednoduchost předpokládejme lineární degradaci, takže v průměru 405km dojezd. Při 1000 cyklech to máme životnost na 405 tisíc km.

 

Zde máme 76 % kapacity už po 600 cyklech, což je jednoznačně horší. Na druhou stranu je tu ale vyšší hustota. 300 kg článků (to ale neznamená 300kg akumulátor) by tak při 350 Wh/kg nabídlo 105 kWh (podařilo-li by se zachovat tuto hustotu i v jiném formátu), tedy při stejné spotřebě a hmotnosti článků dojezd 583 km. Po 600 cyklech by byl dojezd 443 km, v průměru 513 km. Při 600 cyklech to máme cca 308 tisíc km. Jak vidíme, nové články jsou zatím horší, ale ukazují koncept, který rozhodně stojí za další zkoumání i s ohledem na to, jak se za poslední 4 roky povedlo významně zvýšit životnost.

 

Zdroj: pnnl.gov