Pevné baterie mají potenciál revolučně změnit celé odvětví díky lepšímu výkonu, bezpečnosti a životnosti. Klíčovým problémem je však únava materiálu. 3D ilustrace vnitřního schématu pevné baterie. Foto: Shutterstock
Lukáš Rytina
Baterie se při nabíjení mění nejen z hlediska energie, nýbrž i mechanicky. Její materiály zvětšují objem (či se smršťují) a tudíž vzniká mechanické namáhání. Výzkumný tým z čínských univerzit nedávno představil vrstvený kompozitní elektrolyt, který má namáhání rozkládat rovnoměrněji.
Baterie se při nabíjení mechanicky unavuje
Elektrolyt umožňuje pohyb iontů mezi zápornou a kladnou elektrodou. V běžných lithium-iontových akumulátorech tuto úlohu obvykle plní kapalina. Pevné elektrolyty mají pomoci omezit rizika spojená s hořlavými rozpouštědly a umožnit konstrukci článků s vyšší hustotou uložené energie.
Při nabíjení se na záporné elektrodě ukládá kovové lithium. Při vybíjení jeho atomy odevzdávají elektrony a vzniklé ionty lithia přecházejí do pevného elektrolytu. Množství kovu na elektrodě se tak během provozu mění. Nerovnoměrné rozložení iontů může zanechávat drobné dutiny, zatímco při ukládání kovu během nabíjení zase mohou vznikat výstupky. Elektroda pak místy ztrácí kontakt s elektrolytem a jinde na něj více tlačí.
Částice materiálu kladné elektrody se během cyklování rovněž rozpínají a smršťují. U pevných součástí pak mohou tyto pohyby narušovat jejich vzájemné spojení, a je proto nutné při konstrukci řešit otázku, zda zvolené materiály vydrží opakované změny rozměrů a jak se v nich uvolňuje vznikající pnutí, jelikož by mohlo hrozit i popraskání elektrolytu.
Jak zacházet s lithiem?
Nerovný povrch lithiové elektrody se může dalším používáním zhoršovat. Výběžky kovu rostou do podoby vláken, zvaných dendrity, a mohou pronikat pevným elektrolytem. Pokud by jím prošly a propojily elektrody, způsobily by vnitřní zkrat. V experimentech s optickými senzory provázel růst těchto útvarů také nestejnoměrný nárůst mechanického namáhání. Po opakovaných cyklech byly na rozhraní patrné mikroskopické mezery.
Jednou z možností, jak udržet součásti u sebe, je přítlak zvenčí. V laboratorních sestavách se proto články často testují stlačené. Silné stlačení však může podporovat pomalé tečení lithia neboli jeho postupnou deformaci.
Polymer a nanodestičky
Vědci se rozhodli upravit v rámci výzkumu samotný elektrolyt: Polymer na bázi polyethylenoxidu s lithiovou solí propojili s tenkými nanodestičkami oxidu křemičitého za účelem vytváření průběžné cesty pro pohyb iontů a současně omezování soustředění mechanického namáhání. Návrh vycházel z měření pnutí během provozu i počítačových simulací. Rovnoměrnější namáhání má napomáhat tomu, aby se lithium ukládalo stejnoměrněji.
Ve zkušebním článku se dvěma lithiovými elektrodami probíhalo ukládání a rozpouštění kovu stabilně po dobu 3 000 hodin při 60 °C. Samostatně vědci ověřovali článek s lithium-železo-fosfátovou kladnou elektrodou, ten si při 30 °C uchoval 84,3 procenta kapacity po 400 cyklech.
Vrstvený elektrolyt zatím vědci ověřili v malých laboratorních článcích. Další testy budou muset prověřit, jak se osvědčí ve větších bateriích a při rychlejším nabíjení. Baterie s pevným elektrolytem slouží například k záložnímu napájení vestavěných hodin či úsporných bezdrátových senzorů, avšak pokud se podaří vyřešit jejich největší nedostatek – únavu materiálu – mohly by být použity i v elektromobilech.
Comments