Lithium-iontové baterie mají v oblasti elektromobility či skladování energie v rámci distribučních sítí zcela nezastupitelnou roli. Avšak materiály, které se v současné době k jejich výrobě používají, mají stále řadu nedostatků, a to jak z hlediska výkonu, tak i z hlediska bezpečnosti. Zejména výzkum a vývoj nových forem elektrolytu proto aktuálně představuje pro vědce v řadě zemí zcela zásadní výzvu.
Na australské School of Chemistry při Monash University se v nedávné době podařilo skupině vědců pod vedením profesora Douga MacFarlanea ve spolupráci s komerční společností Calix vyvinout nové chemické řešení, které by mohlo výkonnost i bezpečnost li-ion baterií posunout o značný kus vpřed. V rámci výzkumu, jehož výsledky nedávno uveřejnili v časopise Advanced Energy Materials, tito chemici popisují vývoj nové soli lithia, která by mohla překonat stávající problémy s elektrolytem a nahradit hexafluorfosfátovou sůl, která se nyní v bateriích běžně používá.
Jak známo, s li-ion bateriemi je spojeno jisté riziko výbuchu nebo vznícení, pokud se s nimi zachází nesprávně. Mají také tendenci korodovat. „Lithiovou solí, která se v současné době používá v lithium-iontových bateriích, je hexafluorfosfát lithný, který představuje nebezpečí v podobě možného vzniku požáru a který je také značně toxický,“ popisuje rizika profesor MacFarlane.
Bez rizika i při vysokém napětí
U menších přenosných zařízení poháněných lithiovými bateriemi lze toto riziko obsažené v bateriích částečně zmírnit. Avšak ve velkých bateriích určených pro elektromobily nebo pro bateriová úložiště je potenciální nebezpečí mnohem větší. Baterie pracující s vysokým napětím a energií proto podle Douga MacFarlanea nemohou používat hexafluorfosfátovou sůl.
„Naším cílem bylo vyvinout bezpečné fluoroboritanové soli, na které nemá vliv, zda, případně jakým atmosférickým podmínkám jsou vystaveny,“ uvedl jeden z autorů studie Binayak Roy z Monash University. „Hlavní výzvou při vývoji nové soli fluoroboritanu přitom bylo syntetizovat ji v čistotě potřebné pro bateriové aplikace, což jsme dokázali rekrystalizačním procesem. Při praktické aplikaci lithiové baterie s katodami z oxidu lithia a manganu se pak podařilo dosáhnout více než 1 000 nabíjecích cyklů, a to i po vystavení obvyklým atmosférickým podmínkám, což je ve srovnání s hypercitlivou hexafluorfosfátovou solí zcela neuvěřitelný výkon,“ dodal.
Podle Binayaka Roye tak tento elektrolyt ve spojení s novým katodovým materiálem po instalaci ve vysokonapěťové lithiové baterii svými funkčními parametry značně překonal konvenční sůl. Kromě toho vědci zjistili také to, že nová sůl je na hliníkových sběračích proudu při vyšších napětích velmi stabilní, což je jeden z hlavních požadavků na baterie nové generace.
Hlavně tepelná stabilita a nehořlavost
Na výzkumu se podílela i australská společnost Calix, která se zabývá výrobou materiálů používaných v bateriích. Tyto materiály jsou na bázi manganu a společnost si zakládá na tom, že vznikají z minerálů vytěžených přímo doma v Austrálii. Od aktuálního výzkumu si společnosti Calix slibuje, že jí pomůže urychlit zavedení nových technologií výroby li-ionových baterií do praxe. Hlavním cílem jejího snažení pak je zajistit Austrálii domácí výrobu, a tedy co největší soběstačnost v produkci baterií pro skladování energie.
„Calix vyvíjí platformovou technologii pro výrobu vysoce výkonných, cenově konkurenceschopných materiálů pro bateriové systémy. Velmi těsně spolupracujeme s výzkumnými partnery na našich univerzitách Monash a Deakin, a to prostřednictvím společnosti StorEnergy, která podporuje vývoj elektrolytových systémů, které jsou kompatibilní s elektrodovými materiály Calix. Vynikající elektrochemický výkon a stabilita, kterou prokázal nový elektrolyt od vědců z Monash University, ve spojení s novým elektrodovým materiálem z oxidu lithia a manganu je důležitým milníkem, který nás posouvá o krok blíže k masové produkci baterií obsahujících elektrodové materiály nové generace,“ komentoval výsledky výzkumu Matt Boot-Handford, generální ředitel pro výzkum a vývoj společnosti Calix.
Podle australských vědců bude v příštích letech hrát zajištění tepelně stabilních, nehořlavých kapalných solí stále významnější roli, protože poroste riziko, že na mnoha místech světa bude docházet k stále větším teplotním extrémům. Navrhování bateriových technologií s garancí vysoké míry bezpečnosti a stability tedy bude v Austrálii, ale i mnohde jinde, úkolem opravdu velké důležitosti.
