Průlom v bateriích pro elektromobily: Nový povlak prodlouží životnost z 200 na 1000 cyklů

Vědci z Arkansaské univerzity vyvinuli ultratenký povlak, který zabraňuje uvolňování kyslíku v lithium-iontových bateriích. Díky tomu mohou NMC811 katody, klíčové pro elektromobily, vydržet místo 200 až 1000 nabíjecích cyklů, což zásadně zvýší jejich životnost a bezpečnost.

Nový nanometrový povlak by mohl výrazně prodloužit životnost lithium-iontových baterií tím, že zabraňuje uvolňování kyslíku, který poškozuje bateriové články během opakovaných nabíjecích cyklů. Vědci z Arkansaské univerzity vyvinuli ultratenký povlak ze sulfidu zirkonia pro široce používaný katodový materiál, oxid nikl-mangan-kobalt lithný (NMC811), který je studován pro baterie elektromobilů díky vysoké energetické hustotě a relativně nízkým nákladům.

Hlavní slabinou NMC811 je uvolňování kyslíku během opakovaných cyklů nabíjení a vybíjení. Tento kyslík může reagovat s elektrolyty baterie, což vede k tvorbě plynů a dalších vedlejších produktů, které snižují výkon článku a vytvářejí potenciální bezpečnostní rizika.

Výzkumný tým se s tímto problémem vypořádal aplikací nanometrového povlaku, který chemicky zachycuje uvolněný kyslík a brání mu v spouštění škodlivých reakcí uvnitř baterie. Vědci nanesli povlak ze sulfidu zirkonia o tloušťce pouhých dvou nanometrů na prefabrikované katody NMC811 pomocí atomové depozice vrstev. Když se kyslík uvolní z katody během cyklování baterie, povlak s ním reaguje a přeměňuje se ze sulfidu zirkonia na síran zirkonia. Povlak tak funguje jako lapač kyslíku uvnitř bateriového článku.

Zachyováním kyslíku povlak zabraňuje jeho oxidaci elektrolytu a tvorbě škodlivých vedlejších produktů. Vzniklá síranová vrstva také pomáhá stabilizovat rozhraní mezi katodou a elektrolytem a zároveň omezuje strukturální poškození uvnitř katody. Tato dodatečná ochrana pomáhá snižovat mikropraskání a zachovává vnitřní strukturu katodového materiálu v průběhu času.

Během testování bylo zlepšení výkonu výrazné. Holé katody NMC811 obvykle přežijí asi 200 nabíjecích a vybíjecích cyklů, než jejich výkon prudce poklesne. S povlakem ze sulfidu zirkonia však katody pokračovaly v provozu po více než 1 000 cyklů. Baterie s povlakem si také po 1 300 cyklech udržely přibližně 60 procent své nabíjecí kapacity, což představuje pětinásobné prodloužení životnosti.

Tento koncept navazuje na dřívější práci výzkumné skupiny, která zkoumala ochranné vrstvy na bázi sulfidů pro bateriové materiály. Profesor Xiangbo „Henry“ Meng, který vedl práci, uvedl, že sulfidy by mohly poskytnout novou třídu robustních, čistých a antioxidačních ochranných povlaků uvnitř lithium-iontových baterií. Jeho laboratoř již testovala více sulfidových materiálů schopných přeměny na sírany během provozu baterie, včetně Li2S, ZrS2, Al2S3, ZnS a Cu2S. Projekt je podporován americkým ministerstvem energetiky a na práci spolupracovali vědci z Argonne National Laboratory. Velké technologické společnosti již projevily zájem o testování těchto povlaků v jiných bateriových systémech.