Baterie litowo-metalowe wykazują znacznie wyższe gęstości energii niż ogniwa litowo-jonowe, które są dzisiaj podstawą technologii magazynowania energii na rynku. Mają one jednak swoje ograniczenia, z których największym jest krótka żywotność.
Czytaj też: Chińczycy potraktowali ogniwa słoneczne butanolem. Dziwna metoda miała szczytny cel
Naukowcy z University of Science and Technology of China i zaprezentowali nową konstrukcję elektrolitu, która mogłaby zostać wykorzystana do opracowania wysoce wydajnych ogniw litowo-metalowych o dłuższej żywotności. Ten elektrolit, opisany w artykule w Nature Energy, ma unikalną strukturę solwatacyjną w skali nanometrów, z parami jonów gęsto upakowanymi razem w zwarte agregaty.
Prof. Shuhong Jiao z University of Science and Technology of China mówi:
Baterie litowo-metalowe są świętym Graalem w dziedzinie baterii i są postrzegane jako obiecująca technika baterii nowej generacji, ponieważ mają ultrawysoką gęstość energii, teoretycznie >500 Wh/kg. Jest to ponad dwukrotnie więcej niż dzisiejsze baterie litowo-jonowe dominujące na rynku baterii, co oznacza, że jeśli uda nam się zastąpić baterie litowo-jonowe bateriami litowo-metalowymi, zasięg pojazdów elektrycznych może zostać podwojony na jednym ładowaniu.
Nowy elektrolit odmieni baterie litowo-metalowe
Istniejące baterie litowo-metalowe mają ograniczoną żywotność wynoszącą ok. 50 cykli, co jest wartością znacznie mniejszą niż w przypadku komercyjnych ogniw litowo-jonowych, które zazwyczaj działają dobrze przez ok. 1000 cykli. Jest to wynikiem wzrostu tzw. dendrytów litowych (włókien powstających podczas pracy elektrody), wysoka reaktywność katod litowo-metalowych i wysokonapięciowych metali przejściowych, które systematycznie “uszczuplają” elektrolit.
Czytaj też: Akumulatory litowo-jonowe będą miały drugie życie. Ich recykling wszedł na nowy poziom
Pięć lat temu zespół prof. Jiao zaprojektował elektrolit, który może jednocześnie stabilizować interfejsy anoda-elektrolit i katoda-elektrolit w ogniwach litowo-metalowych. To spowalnia degradację samego elektrolitu i wydłuża żywotność baterii.
Prof. Shuhong Jiao tłumaczy:
Elektrolit jest kluczowym składnikiem baterii litowo-metalowych, ponieważ może kierować zachowaniem galwanicznym litu-metalu, ostatecznie dyktując wydajność baterii. W celach praktycznych próbowaliśmy to zrealizować, używając tanich komponentów. Liczne prace innych badaczy w tej dziedzinie również bardzo nas zainspirowały, ponieważ wprowadzili wiele nowych klas elektrolitów, takich jak elektrolit o wysokim stężeniu, zlokalizowany elektrolit o wysokim stężeniu, elektrolit słabo rozpuszczający czy elektrolit w postaci skroplonego gazu.
Chińscy uczeni postanowili połączyć siły z innymi grupami badawczymi, efektem czego było opracowanie nowej klasy elektrolitów, które mogą realnie wydłużyć żywotność baterii litowo-metalowych. Są one wykonane z dostępnych komercyjnie i niedrogich cząsteczek, a ich wspólnym mianownikiem jest unikalna struktura solwatacyjna.
Praca zespołu prof. Jiao zapoczątkowała dostrajanie struktury solwatacyjnej elektrolitu na poziomie mezoskopowym (w układach o rozmiarach rzędu µm). Ich unikalna konstrukcja koncentruje się konkretnie na interakcji między parami jonowymi leżącymi u podstaw tworzenia struktury agregatu elektrolitu.
Co godne uwagi, nowy elektrolit wykazuje unikalną zbiorczą redukcję na anodzie litowo-metalicznej. Oznacza to, że chmury anionów w strukturze agregatów par jonowych są szybko redukowane (tj. rozkładane) na powierzchni litu, tworząc związki nieorganiczne, takie jak Li2O i LiF, a także cienki i stabilny SEI (interfejs ciało stałe/elektrolit), który z kolei tłumi stały rozkład elektrolitu.
Czytaj też: Bez tego pierwiastka trudno produkować baterie do aut elektrycznych. Chiny właśnie ograniczają jego eksport
Aby ocenić potencjał nowo zaprojektowanego elektrolitu, naukowcy wykorzystali go do stworzenia ogniwa litowo-metalowego o pojemności 500 Wh/kg. We wstępnych testach stwierdzono, że ogniwo to zachowuje 91 proc. swojej energii po 130 cyklach pracy. Teraz naukowcy działają dwutorowo: zamierzają wydłużać żywotność ogniw litowo-metalowych 500 Wh/kg do ponad 1000 cykli i uzyskać znacznie większą gęstość energii przy dłuższej żywotności, np. ≥ 600 Wh/kg przy 100-200 cyklach. Oba te rozwiązania mogą całkowicie zrewolucjonizować segment ogniw litowo-metalowych.