Vědcům z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), výzkumného centra spadajícího pod americké ministerstvo energetiky, se podařilo výrazně prodloužit životnost lithium-kovové baterie. Pro další rozvoj elektromobility se jedná o důležitý krok, protože razí cestu k lehčím, levnějším a trvanlivějším bateriím pro elektromobily budoucnosti. O úspěchu informoval na konci června časopis Nature Energy.

Vědci v současné době zkoumají celou škálu možností., jak zvýšit kapacitu bateriových článků pro elektromobily. Jedním z řešení, které je již takříkajíc na obzoru, jsou lithium-kovové baterie. Tyto baterie by měly dodávat téměř dvojnásobnou energii, než jakou poskytují jejich dnes běžně používané lithium-iontové protějšky, a navíc by měly být i lehčí. Při laboratorních testech, které se až doposud prováděly, však vždy nastaly vážné technické potíže a lithium-kovové baterie tak dosahovaly pouze zlomku životnosti lithium-iontových baterií.

Nyní se však týmu vědců z PNNL povedlo vytvořit lithium-kovovou baterii, která vydrží 600 cyklů, což je mnohem déle, než se dosud podařilo dosáhnout. I když je to stále výrazně méně, než kolikrát lze nabít klasické lithium-iontové baterie – ty totiž obvykle mají životnost nejméně 1 000 cyklů –, je třeba vzít v úvahu, že tento rozdíl by do značné míry mělo kompenzovat to, že vozidla s lithium-kovovou baterií by měla dojet na jedno nabití výrazně dále.

Životnost překvapivě prodlužují tenké lithiové proužky

Tým vědců z PNNL přišel na poměrně překvapivý způsob, jak prodloužit životnost baterie. Místo anod obsahujících větší množství lithia použil jeho velmi tenké proužky – o tloušťce pouhých 20 mikronů, což je mnohem méně než tloušťka lidského vlasu.

„Mnoho lidí si myslelo, že delší životnost baterie zajistí silnější vrstva lithia,“ uvedla k závěrům výzkumu Jie Xiao, která je spolu se svým kolegou Jun Liu, ředitelem konsorcia Battery500, jež spadá pod PNNL, autorkou výše zmíněného článku. „Není to ale vždy pravda. Každá lithium-kovová baterie má totiž svou optimální tloušťku v závislosti na její energetické hustotě a designu,“ dodala.

Lithium-kovová baterie vytvořená týmem Battery500 má hustotu energie 350 watthodin na kilogram (Wh/kg) – tedy velmi vysokou, ale nijak extrémně. Hlavním přínosem reportovaného výzkumu je především životnost baterie. I po 600 cyklech si totiž baterie uchovala 76 procent své původní kapacity. Před čtyřmi lety přitom dokázala experimentální lithium-kovová baterie zvládnout pouze 50 cyklů a ještě před dvěma lety to bylo jen 200 cyklů.

Proč je důležitá tloušťka

Rozhodnutí týmu vyzkoušet tenčí lithiové proužky padlo poté, co se mu podařilo detailně porozumět molekulární dynamice anody. Vědci zjistili, že silnější proužky se významně podílejí na selhávání baterie, a to v důsledku složitých reakcí probíhajících ve filmu na anodě označovaných jako pevná elektrolytická mezifáze neboli SEI (Solid Electrolyte Interface). Tato SEI je výsledkem vedlejších reakcí mezi lithiem a elektrolytem. Působí jako důležitý usměrňovač, který umožňuje určitým molekulám přejít z anody do elektrolytu a zpět, přičemž ostatní molekuly drží odděleně. Primárním cílem výzkumníků tedy bylo snížit nežádoucí vedlejší reakce mezi elektrolytem a lithným kovem a ty žádoucí co nejvíce podpořit.

Vědci zjistili, že tenčí lithiové proužky jsou schopny vytvářet něco, co nazvali dobrá SEI, zatímco u silnějších proužků je větší pravděpodobnost, že vznikne škodlivá SEI. Vědci pro tyto jevy začali používat výrazy „mokrá SEI“ a „suchá SEI“. Mokrá varianta udržuje kontakt mezi kapalným elektrolytem a anodou a umožňuje tak vznik důležitých elektrochemických reakcí. V suché verzi kapalný elektrolyt nedosahuje kontaktu s celým lithiem. Dochází k tomu proto, že lithiové proužky jsou silnější a elektrolyt tak musí pronikat do hlubších vrstev, ostatní části lithia pak osychají nebo zůstanou suché. Ŕízením těchto procesů lze podle vědců účinně zabránit výskytu těch reakcí, které podstatným způsobem přispívají k předčasnému konci životního cyklu baterie.

Čínský výrobce baterií EVE Energy by se mohl stát po společnosti CATL druhým dodavatelem článků LFP společnosti Tesla. Podle zpráv médií jsou jednání mezi společnostmi Tesla a EVE Energy již v pokročilé fázi.

Rozhovory mají být údajně uzavřeny ve třetím čtvrtletí roku 2021. Rozhovory se údajně týkají dodávek pro šanghajskou továrnu Gigafactory. Jak uvedl jeden z odkazovaných insiderů, EVE je již v závěrečné fázi testování produktů pro Teslu. Společnost Tesla ani EVE Energy na dotazy o komentář nereagovaly. EVE Energy se specializuje na vývoj a výrobu článků LFP, tedy lithium-železo-fosfátových článků.

Baterie pro masy?

Během „Bateriového dne“ v září 2020 oznámil generální ředitel společnosti Tesla Elon Musk záměr zaměřit se více právě na baterie LFP. Týká se to především modelů „Standard Range“, v nichž mají být použity robustní a odolně baterie toho typu. Tyto „železité“ akumulátory mají sice nižší energeetickou hustotu a poskytuí tedy při stejných rozměrech baterie kratší dojezd, ale jsou výrazně levnější, protože používají železo namísto dražších materiálů, jako je nikl, mangan nebo kobalt.

Jak již asi víte, kobalt se používá v katodě baterií, obvykle v kombinaci s niklem a manganem v podobě materiálu známého jako NMC. Kobalt je z těchto materiálu nejdražší, navíc je dnes jeho produkce vázána na problematickou těžbu v Kongu. I proto se většina výrobců snaží zbavit v první řadě právě kobaltu.

V minulosti byly v NMC ve stejném poměru 1 : 1 : 1 nikl, mangan a kobalt. V nových bateriích ovšem tvoří velkou část materiálu pouze nikl (někdy téměř 90 procent) a kobaltu je cca 5 procent. Tesla tedy znovu není jediná, je v podstatě ilustrací obecného trendu, který by měl zjednodušit a zlevnit výrobu baterií obecně. Tesla možná bude, možná nebude první, důležité je, že vývoj pokračuje.

Pro varianty „Long Range“ nebo „Performance“ se budou nadále instalovat baterie NMC, ale s již zmíněným sníženým obsahem kobaltu. V závislosti na konstrukci modelu budou použity katody s vysokým obsahem niklu nebo manganu. Vzhledem k tomu, že poptávka po niklu roste mnohem rychleji než těžební kapacity, mohly by nedostatky v dodávkách a rostoucí ceny omezit výrobu velkoobjemových modelů – proto je kladen důraz na články LFP pro vozidla se standardním dojezdem.

Zvyšování cen se však nevyhýbá ani článkům LFP: o víkendu Tesla zvýšila vstupní cenu pro Model 3 Standard Range v Číně (s články LFP od společnosti CATL) o 1 000 jüanů (128 eur) na 250 900 jüanů – podle agentury Reuters byl tento krok odůvodněn kolísáním nákladů.

V loňském roce byly některé vozy Model 3 Standard Range+ vyrobené v Číně dodány také do Evropy. Zatímco samotné vozy přesvědčily svým kvalitním zpracováním, objevily se četné zprávy o horším výkonu při nabíjení (zejména v chladném počasí) a o případech zablokování některých vozidel, kdy se vůz vypnul i přes to, že baterie byla stále nabitá. Krátce poté Tesla vydala aktualizaci softwaru, která optimalizovala správu baterie.

Load More