Sciencemag.cz
Doporučujeme
Jak vylepšit anodu klasických baterií? Nápadů je nepřeberně. Mají umožnit rychlejší nabíjení, prevenci selhání nebo větší životnost. Až je div, že v praxi se technologie pořád příliš nehýbe.
Molybdenu, wolfram, niob a kyslík
Vědci z Oak Ridge National Laboratory a University of Tennessee (Knoxville) přišli s novým materiálem, který by měl zrychlit nabíjení Li-Ion baterií. Namísto anody z grafitu navrhují použít speciální sloučeninu molybdenu, wolframu, niobu a kyslíku (Mo1.5W1.5Nb14O44). Ta by na rozdíl od grafitu neměla při nabíjení zpomalovat pohyb iontů lithia, protože na povrchu se netvoří pasivační vrstva elektrolytu. Podobné materiály většinou ke své syntéze vyžadují vysoké teploty, nově navržený postup ale využívá reakci iontové kapaliny a kovových solí, které se přemění na gel. Iontovou kapalinu lze navíc recyklovat. Cílem Oak Ridge National Laboratory, respektive Ministerstva energetiky USA, je přijít s baterií elektromobilu, kterou by bylo možné nabít za 15 minut.
(viz obrázek)
Runming Tao et al, Insight into the Fast‐Rechargeability of a Novel Mo1.5W1.5Nb14O44 Anode Material for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries, Advanced Energy Materials (2022). DOI: 10.1002/aenm.202200519
Zdroj: Oak Ridge National Laboratory / TechXplore.com
Nitrid lithia
Další návrh na vylepšení anody Li-Ion baterií předpokládá využití nitridu lithia na lithiové elektrodě, ovšem navíc na uhlíku (takže jde stále o baterii Li-Ion spíše než lithium-kov). Jak praví autoři výzkumu, podle experimentů může Li3N umožnit účinnější průchod iontů Li+ přes rozhraní elektroda/elektrolyt, k usazování lithia dochází bez tvorby dendritů a při vysoké proudové hustotě. V kombinaci s katodou LiFePO4 vykazovaly příslušné články vynikající stabilitu během více cyklů i vysokou schopnost udržovat kapacitu; fungovalo to tak při použití kapalných i pevných elektrolytů.
Wenzhu Cao et al, In situ generation of Li3N concentration gradient in 3D carbon-based lithium anodes towards highly-stable lithium metal batteries, Journal of Energy Chemistry (2022). DOI: 10.1016/j.jechem.2022.09.025
Zdroj: Chinese Academy of Sciences / Phys.org
Diborid titanu
Novým materiálem pro anodu Li-Ion baterií by mohly být nanovrstvy, respektive 2D forma diboridu titanu TiB2. Baterie tohoto typu by mohly umožňovat rychlé nabíjení i vysoký výkon, potřebného zejména v technologiích pro elektromobily. Autoři nového výzkumu Noriyoshi Matsumi(Japan Advanced Institute of Science and Technology) a Kabeer Jasuja (Indian Institite of Technology, Gandhinagar) uvádějí, že jejich nanovrstvy disponují vysokou hustotou aktivních míst pro ukládání lithiových iontů, struktury mají navíc dlouhou životnost. Materiál lze vyrobit z běžného „objemového“ TiB2 poměrně jednoduše, víceméně jen rozpuštěním materiálu s peroxidem vodíku a jeho rekrystalizací (odstředění, vymrazení…).
Konkrétní hodnoty podle průvodní tiskové zprávy: anoda na bázi TiB2 měla v experimentech vybíjecí kapacitu 380 mAh/g při proudové hustotě pouhých 0,025 A/g. Při vysoké proudové hustotě 1 A/g lze dosáhnout vybíjecí kapacity 174 mAh/g s dobou nabíjení 10 minut a zachováním kapacity 89,7 % po 1 000 cyklech. Kromě toho dokázala anoda udržet velmi vysoké proudové rychlosti, řádově 15 až 20 A/g, což usnadnilo ultrarychlé nabíjení za přibližně 9 až 14 sekund. Při vysoké rychlosti proudu bylo po 10 000 cyklech pozorováno zachování kapacity stále nad 80 %.
Akash Varma et al, Titanium Diboride-Based Hierarchical Nanosheets as Anode Material for Li-Ion Batteries, ACS Applied Nano Materials (2022). DOI: 10.1021/acsanm.2c03054
Zdroj: Japan Advanced Institute of Science and Technology / Phys.org
Polymer a měď
Při seskládání více Li-Ion článků se únik tepla rozšířit z jedné jednotky na druhou a vést k požáru. Některé baterie proto nyní mají bezpečnostní prvky, jako jsou vnější ventilační otvory, teplotní čidla nebo nehořlavé elektrolyty. Tyto bezpečnostní mechanismy však často začnou fungovat příliš pozdě nebo jsou na úkor výkonu bakterie. Yapei Wang, Kai Liu a jejich kolegové proto chtěli vytvořit Li-Ion baterii, která by se dokázala sama rychle vypnout, ale zároveň by fungovala stejně dobře jako stávající technologie.
Výzkumníci použili polymer s tepelnou pamětí pokrytý vodivým měděným nástřikem. Tím vytvořili materiál, který po většinu času propouští elektrony, ale při nadměrném zahřátí se změní na izolátor. Při teplotě kolem 92 °C se v polymeru objeví naprogramovaný mikroskopický 3D vzor, který rozruší měděnou vrstvu a tok elektronů zastaví. Tím se článek trvale vypne a požáru by se mělo předejít. Při běžných provozních teplotách si baterie s novým polymerem zachovala podobné parametry (výkon, životnost v počtu cyklů) jako tradiční článek.
Jichen Jia et al, Early Braking of Overwarmed Lithium-Ion Batteries by Shape-Memorized Current Collectors, Nano Letters (2022). DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c03645
Zdroj: American Chemical Society / TechXplore.com
Fosforen
Málem 1D forma fosforu, tj. vlákna z 2D fosforu (fosforen) byla poprvé vytvořena v roce 2019; o 2 roky později se ukázalo, že by se jimi daly vylepšovat solární články. Výzkumníci zjistili, že tyto nanopásky lze jednoduše vytisknout jako další vrstvu, která prospívá funkčnosti a účinnosti solárních článků tím, že zvyšuje pohyblivost děr. Tato technika lze použít nejen do tradičních pevných článků na bázi křemíku, ale i do ohebných perovskitových filmů. Vědci z Queen Mary University of London/Imperial College London nyní uvádějí, že fosforové nanopásky mohou také zvýšit výkon a stabilitu Li-Ion baterií a potlačit tvorbu dendritů na anodě.
Thomas J. Macdonald et al, Phosphorene nanoribbons for next-generation energy devices, Joule (2022). DOI: 10.1016/j.joule.2022.09.010
Zdroj: Queen Mary, University of London / Phys.org
K-Ion
Zajímavou technologii, konkurující Li-Ion, představují baterie draslíko-iontové. Měly by nabízet srovnatelnou kapacitu (hustotu energie) jako Li-Ion, ovšem výrazně nižší cenu. Slitiny na bázi draslíku by také mohly tvořit vysoce výkonnou anodu. Problémem K-Ion baterie je ale dosud nekompatibilita mezi takovou anodou a elektrolyty, vznikají zde různé nestabilní filmy na rozhraní kapalné a pevné fáze a baterie v důsledku toho nevydrží dlouho. Čínští vědci nyní navrhli jako anodu pro reakci draslíku materiál na bázi uhlíku a antimonu (antimon uzavřený v uhlíkové kouli, uvádí se, že vše bylo vyrobeno hydrotermální metodou) a jako elektrolyt koncentrovanou sůl (3M KFSI/DME).
Ningning Chen et al, Achieving stable K-storage performance of carbon sphere-confined Sb via electrolyte regulation, Journal of Energy Chemistry (2022). DOI: 10.1016/j.jechem.2022.09.006
Zdroj: Chinese Academy of Sciences / Phys.org
Nikl
Vědci z Penn State a start-upu EC Power přišli s metodou, která by měla zrychlit nabíjení baterií (především) u elektromobilů. Baterie pracují nejúčinněji při nějaké teplotě, dosud se při snaze optimalizovat takto provoz baterie teplota regulovala externě. Nová metoda naproti tomu umožňuje řídit teplotu zevnitř baterie. Výzkumníci vyvinuli za tímto účelem novou strukturu baterie, která přidává ultratenkou niklovou fólii jako čtvrtou součást vedle anody, elektrolytu a katody. Niklová fólie přitom reguluje teplotu a reaktivitu baterie, což má umožňovat 10minutové rychlé nabíjení téměř každé baterie pro elektromobily.
Chao-Yang Wang, Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05281-0. www.nature.com/articles/s41586-022-05281-0
Zdroj: Pennsylvania State University / TechXplore.com
No v praxi asi jsou ta omezení i jiná než jen daná bateriemi. I kdybych měl v elektromobilu baterii, která se nabije za čtvrt minuty, tak k jejímu nabití budu potřebovat proud 10 miliónů Ampér. Jak by taková nabíječka vypadala si opravdu nedokážu představit.
Pro Pavel.
Vychází mi něco jiného.
Škoda Enyaq iV: dojezd až 500 km s baterií 82 kWh, rychlonabíjení ( typu DC) 125 kW,
čili doba nabíjení 82/125 = 0,656 hodiny = ( skoro) 40 minut= 2400 sekund
Při 400 V .
W =UIt
82000 =400.I.0,656
I = 312,5 A
Za stejných podmínek pro nabíjení za vašich 15 sekund vyjde
(2400/15)*312,5 = 50 000 [A]. Tedy ne uvedených 10 milionů [A]
A nevím, proč by se elektro auto mělo nabít za 15 sekund, to nenatankujete ani benzín.
Počítal jsem 200kWh baterii a nabíjeí napětí 5V (protože to je zhruba napětí, které dává Li-Ion baterie).
Dobu nabíjení 15 sekund jsem zvolil, protože to je uvedená doba nabíjení baterií s diboridem titanu, jen jako příklad že rychlost nabíjení má také nějaké vedlejší efekty.
Jak ten Enyaq může nabíjet napětím 400V? To nabíjí stovku baterií zapojených do série? To je asi dost nebezpečné. Stačí, když jedna z té stovky baterií má trochu větší odpor a shoří všechno.
Pro Pavel. Těžko se bude nabíjet 5 V napětím, provoz elektromotoru je 400 V.
heslo Google
Škoda Enyaq iV elektromotor napětí
:“Pracovní napětí elektrického pohonu se pohybuje v rozsahu 250 až 550 V, obvykle je to 400 V.30. 3. 2021″
Wiki : Všechny standardní li-ion baterie se nabijí CC/CV algoritmem na konečné napětí 4.2V.
Toyota :“Baterie se skládají ze stovek (občas i tisíců) malých bateriových článků (na obrázku – battery cells), které jsou spojené buď v sériovém anebo paralelním zapojení, tak aby bylo dosaženo požadovaného napětí a proudu. Každý bateriový článek mívá napětí 3-4V.“
Komentář :Takže zapojení je sériové i paralelní a baterií přes 100.
Pokazit se může všechno. Kdysi při demonstraci na veletrhu počítače DELL vybuchla lithiová baterie Sony. Nikomu nic nestalo. Stahovali do servisu celou sérii s těmito bateriemi.
Jazyková k té Toyotě: článek je základní, nedělitelný element, vice propojených článků tvoří baterii. Pojem „bateriový článek“ je tudíž nesmyslný, když tak „baterie článků“.