Niedawno podobny motyw pojawił się przy problemie nierównomiernego starzenia się poszczególnych ogniw w całych pakietach. Teraz naukowcy z Korei Południowej zwrócili uwagę na separator, czyli warstwę, której zadanie kojarzy się przede wszystkim z pilnowaniem, żeby elektrody nie zetknęły się ze sobą.
Separator wcale nie musi być tylko separatorem
Zespół z Hanbat National University opracował separator CBT, którego podstawę stanowi porowata celuloza wzbogacona zeolitem bikitaite. Ten ostatni jest zeolitem zawierającym lit, a jego struktura zapewnia dodatkowe kanały transportu jonów Li+. Innymi słowy, zamiast traktować separator jak dziurawą ścianę, przez którą jony po prostu muszą się przecisnąć, badacze zamienili go w element aktywnie pomagający kierować ich przepływem.
Czytaj też: Akumulatory mają w sobie cichego sabotażystę. Badacze pokazali skalę marnotrawstwa
Ma to szczególne znaczenie w akumulatorach litowo-metalicznych. Metaliczny lit jest bowiem jednym z wielkich kandydatów do zbudowania znacznie pojemniejszych ogniw przyszłości, ale ciągnie za sobą wyjątkowo uparty problem dendrytów. Te przypominające mikroskopijne igły struktury mogą powstawać podczas odkładania litu, niszczyć powierzchnię anody, tworzyć “martwy lit”, a w najgorszym przypadku doprowadzić nawet do zwarcia. Pisałem już szerzej o tym przy badaniach pokazujących, jak zachowują się dendryty wewnątrz akumulatorów.
CBT próbuje uderzyć w przyczynę ich powstawania inaczej. Zamiast stawiać dendrytom coraz mocniejszą mechaniczną przeszkodę, dąży do tego, aby lit od samego początku osadzał się równiej. Obserwacje prowadzone podczas pracy ogniwa pokazały właśnie taki efekt. Przy klasycznym separatorze PE dendryty zaczynały pojawiać się bardzo szybko, podczas gdy CBT prowadził do znacznie bardziej zwartego i jednorodnego odkładania litu.
Skąd wzięło się 42% przewagi przy 4C?
W ogniwach z katodą NCM90 przy 1C właściwie nie było różnicy w zachowaniu, bo zarówno CBT, jak i klasyczny separator polietylenowy zapewniały około 197 mAh/g. Gdy jednak badacze zwiększyli tempo rozładowania, zaczęła się robić przepaść. Przy 2C separator CBT pozwolił osiągnąć około 187 mAh/g wobec 165 mAh/g dla PE. Przy 4C było to już odpowiednio około 163 i 115 mAh/g. Różnica wyniosła więc mniej więcej 42 procent.
Czytaj też: 805 Nm na tylnym kole i wymienny akumulator. Elektryczne motocykle stają się potworkami
Ten wynik nie oznacza, że ktoś właśnie znalazł prosty sposób na zwiększenie o 42 procent zasięgu każdego samochodu elektrycznego. Przy spokojniejszym rozładowaniu przewaga praktycznie znikała. CBT pokazuje jednak coś innego, bo potrafi znacznie ograniczać straty pojawiające się wtedy, gdy zmuszamy ogniwo do bardzo szybkiego oddawania energii.
Dla mnie właśnie to jest ciekawsze od samego procentu. 4C odpowiada teoretycznie rozładowaniu pełnej pojemności w około 15 minut. Jeśli przyszłe ogniwa litowo-metaliczne mają zasilać samochody, lotnictwo elektryczne, roboty czy inne urządzenia wymagające chwilowo bardzo dużej mocy, to sama ogromna gęstość energii nie wystarczy. Trzeba tę energię jeszcze umieć szybko i bezpiecznie wykorzystać.
Wytrzymał ponad 2500 cykli i mróz
Separator nie poprawiał tylko chwilowej wydajności. Przy agresywnym cyklu obejmującym ładowanie 2C i rozładowywanie 4C ogniwo z CBT zachowało około 60 procent początkowej pojemności po 2585 cyklach. Konwencjonalny separator spadł poniżej tego poziomu już po około 1038 cyklach. Jeszcze lepiej wygląda zachowanie w temperaturze -25°C, bo po 150 cyklach ogniwo z CBT zachowało około 68,9 procent początkowej pojemności. Warto jednak zaznaczyć, że w teście niskotemperaturowym zastosowano również elektrolit LiFSI w DEE dobrany specjalnie z myślą o pracy w takich warunkach.”
Czytaj też: Fox podłączył siodełko do akumulatora roweru. Wreszcie… ale czterocyfrowa cena powala
Na samym początku klasyczny separator PE dawał nawet nieco wyższą pojemność, ale znacznie szybciej ją tracił. Doszła do tego odporność termiczna samego separatora, bo PE zaczynał mocno kurczyć się przy około 130°C, a powyżej 140°C deformacja sięgała nawet 93,8 procent. CBT nie wykazał podobnego skurczu nawet przy 200°C, a w akumulatorze, w którym fizyczne oddzielenie dwóch elektrod jest jednym z fundamentów bezpieczeństwa, nie jest to byle detal.
Rewolucja? Jeszcze zdecydowanie nie
W takich historiach najłatwiej zapomnieć o jednym słowie – laboratorium. Badacze pracowali na małych ogniwach laboratoryjnych, a nie gotowych pakietach trakcyjnych z samochodów. Nadal więc trzeba sprawdzić CBT w ogniwach cylindrycznych i pouch, przy większej skali produkcji, długim magazynowaniu oraz rzeczywistych profilach ładowania i rozładowywania. Sam zespół przedstawia wprawdzie tę technologię jako rozwiązanie potencjalnie skalowalne i niedrogie, ale między “potencjalnie” a milionami ogniw rocznie mieści się zwykle kilka lat problemów inżynieryjnych.
Źródła: Advanced Functional Materials, Hanbat National University
