Ďalší pokrok vo vývoji super bezpečných, rýchlonabíjacích Li-ion batérií

Veľkou výzvou súčasných lítium-iónových batérií je dosiahnutie rýchleho nabíjania bez ohrozenia energetickej hustoty, ktorá ovplyvňuje dojazd vozidla a časy nabíjania. Rýchle nabíjanie však vyvolalo obavy o bezpečnosť v dôsledku pokovovania lítiom, ktoré môže viesť k vysokej polarizácii článkov.

Výskumníci z Chung-Ang University v Južnej Kórei dosiahli významný pokrok v oblasti extrémne rýchleho nabíjania (XFC) lítium-iónových batérií a ich bezpečnosti. Ich štúdia publikovaná v časopise Energy Storage Materials sa zameriava na zlepšenie lítium-iónových batérií pre elektromobilitu.

V Li-ion batériách zohrávajú elektrolyty kľúčovú úlohu pri zvyšovaní ich výkonu. Zavedenie etylénkarbonátu do tradičných elektrolytov na báze polypropylénu bolo významným míľnikom, ktorý otvoril cestu k použitiu vysokokapacitných grafitových anód. Následne sa grafitové anódy stali dôležitým komponentom Li-ion batérií. Pri snahe o zvýšenie hustoty energie sa architektúra elektród vyvinula do podoby husto uložených štruktúr, aby sa zvýšil podiel aktívnych materiálov v článku.

Vysokokapacitné batérie pre elektromobily však čelia novej výzve – schopnosti extrémne rýchleho nabíjania  bez obetovania hustoty energie článkov. Elektródová architektúra pre vysokú energiu trpí počas rýchleho nabíjania silnou polarizáciou buniek. V dôsledku toho sa grafitová anóda stáva zraniteľnou voči pokovovaniu lítiom na povrchu namiesto interkalácie iónov Li+ do štruktúry. To predstavuje bezpečnostné riziko rýchleho nabíjania. Ďalším nepríjemným javom je znižovanie kapacity batérie v priebehu nabíjacích cyklov.

Výskumný tím vyvinul stratégiu na zmiernenie týchto problémov zlepšením zloženia elektrolytu v batérii. Použitím koncentrovaného elektrolytu Li-ion batérie LiPF₆ v kombinácii s lineárnymi uhličitanmi sa tím zameral na zlepšenie procesu desolvatácie. Ten je rozhodujúci pre rýchly pohyb iónov do grafitovej anódy. Špeciálne sa zamerali na elektrolyty s nízkou aktivačnou energiou, ako je dimetylkarbonát, aby sa uľahčilo rýchlejšie nabíjanie.

Solvatácia je proces obaľovania rozpustených častíc látky molekulami rozpúšťadla. Špeciálnym prípadom, kedy je rozpúšťadlom voda, je hydratácia. Desolvatácia je opačný proces, pri ktorom sa molekuly rozpúšťadla oddeľujú od rozpustených častíc.

Tieto úpravy elektrolytu môžu výrazne zlepšiť možnosti rýchleho nabíjania pri zachovaní stability batérie. Laboratórne testy na vreckovom článku s kapacitou 1,2 Ah preukázali, že batéria si dokáže zachovať trikrát väčšiu kapacitu počas 200 cyklov, a čo je dôležité, zabránilo sa nafúknutiu buniek, ktoré sa bežne spája s pokovovaním lítiom.

Štúdia navyše využívala simulácie molekulárnej dynamiky na pochopenie účinkov rôznych koncentrácií elektrolytov na výkon batérie. Kombinácia praktických experimentov a výpočtovej analýzy poskytla cenné informácie, ako by mali vyzerať batérie pre ultrarýchle nabíjanie v budúcnosti.

Vedúci výskumu docent Janghyuk Moon je presvedčený, že s rýchlonabíjacími a bezpečnými batériami sa stanú elektromobily praktickejšími. Skrátená doba nabíjania a predĺženie dojazdu podporí širšie prijatie elektrických vozidiel a zredukuje rady ich odporcov. Ak súčasne vznikne potrebná infraštruktúra na ultrarýchle nabíjanie, vyzerá takáto prognóza zmysluplne.