Křemík a LNMO: o 60 % vyšší energetická hustota Li-Ion akumulátorů bez kobaltu

Různých typů Li-Ion akumulátorů je hodně a vedle těch tradičních směsí jako LCO, LMO, NMC, NCA, LFP a LTO se objevují i nové, jako např. LNMO. Jde o bezkobaltové baterie, snižují tedy závislost na problematických zdrojových materiálech, což je především onen kobalt. Vycházejí z akumulátorů LMO, přičemž ty najdete např. v elektrickém náčiní, jako jsou vrtačky a podobná zařízení, kde není důležitá ani tak kapacita, jako velmi vysoký výkon vůči kapacitě (tedy vysoká rychlost vybíjení, což může znít jako něco nechtěného, ale to také znamená vysoký poskytovaný výkon). Jejich nevýhodou je ale vedle nepříliš vysoké energetické hustoty především doslova tragická životnost, ještě nižší než u LCO, které se používají v běžné elektronice. A zatímco LMO proti LCO nahrazuje kobalt manganem, LNMO nahrazuje část tohoto manganu niklem. Výsledek zejména proti LCO vylepšuje bezpečnost (ta je u LCO velkým problémem, jde o nejnebezpečnější lithiové baterie), rozumná má být i cena a především se (proti LMO) výrazně zvyšuje energetická hustota. S životností to ale nebývá příliš růžové. Na University of Tokyo nicméně zkusili tyto akumulátory dále vylepšit a nyní se podělili o výsledky svého výzkumu.

 

 

Jednou z hlavních výhod LNMO obecně je mnohem vyšší napětí, než je zvykem z většiny Li-Ion baterií (ty mají pracovní napětí 3,6-3,7 V, nabíjí se na 4,2-4,3 V). LNMO se obvykle nabíjí na cca 5 V a v případě nově prezentovaných akumulátorů z Japonska je to 4,9 V s tím, že pracovní napětí činí 4,3 V. Už tady jde o 20 % k dobru (množství energie, které akumulátor uloží, je součinem kapacity a napětí, které je zde o 20 % vyšší). Problémem je ale pro LNMO většinou to, že ta kapacita bývá nižší, takže výsledné množství energie obvykle není zas až tak zázračně vysoké.

 

Je ale překvapivé, že ne zrovna dlouhověkou katodu LNMO vědci spojili s křemíkovou anodou, která má tentýž problém. Křemík sice výrazně zvyšuje energetickou hustotu, bohužel při vybíjení a nabíjení mění svůj objem až 3násobně (někdy se tvrdí, že až 4násobně), a to je u baterií velký problém. Je tedy potřeba hledat takový elektrolyt, který tyto objemové změny zvládne bez toho, aniž by docházelo ke zvýšenému riziku jeho poškození a kontaktu anody s katodou. Po několika testech se ideálním materiálem začal jevit 3.4 M LiFSI/FEMC.

 

Vědci tvrdí, že výsledný akumulátor má nakonec o 60 % vyšší energetickou hustotu než standardní lithiové baterie, ale to je tak široký pojem, že neříká vůbec nic (jsou lithiové baterie s 60, ale i 300 Wh/kg). Víme akorát, že teoretické maximum této kombinace má být 610 Wh/kg, ale to je ideální teoretický případ. Kde už je trochu jasněji, je životnost. Vědci zkoušeli několik typů a výše zmíněný elektrolyt obohacený o FEC a LiPo2F2 vykazoval nejlepší výsledky a podle poměru hmotnosti katody a anody se životnost pohybovala okolo 73 až 79 % původní kapacity po 1000 nabíjecích cyklech (0,3C/1,0C), což není špatné. Výsledek byl zkoušen na knoflíkové baterii 2032. Zde je dobré poznamenat, že jde o výstup vědeckého článku, tedy něco, co je v první polovině procesu vývoje a komercializace takové baterie (tzn. v příštích cca 5-7 letech to na trhu asi nečekejte).

 

Zdroj: nature.com, u-tokyo.ac.jp