Revoluční baterie pro elektromobily: Nabije se za 12 minut a slibuje delší dojezd

Jihokorejští vědci představili novou technologii lithium-kovových baterií, která by mohla elektromobily přiblížit k ultra-rychlému nabíjení a delšímu dojezdu. Průlom oznámil 25. února Korejský pokročilý institut vědy a technologie (KAIST), což představuje významný krok k vyřešení jednoho z největších problémů baterií příští generace.

S rostoucím celosvětovým přijetím elektromobilů hledají výrobci automobilů baterie, které uloží více energie na kilogram hmotnosti a nabijí se v řádu minut namísto hodin. Lithium-kovové baterie jsou široce považovány za slibného nástupce dnešních lithium-iontových systémů, protože mohou potenciálně poskytnout mnohem vyšší hustotu energie. Komerčnímu využití však dosud bránily problémy s bezpečností a odolností.

Proč lithium-kovové baterie narážejí na potíže

Největší výzva nastává během nabíjení. Lithium má tendenci vytvářet drobné jehličkovité struktury známé jako dendrity. Tyto ostré krystaly mohou prorazit vnitřní vrstvy baterie, což způsobuje zkraty, rychlou ztrátu kapacity, a dokonce i požáry.

Tento problém souvisí s takzvanou nestabilitou rozhraní, ke které dochází na hranici mezi elektrodou a elektrolytem. Během opakovaného nabíjení a vybíjení se toto rozhraní stává nerovnoměrným. Lithium se pak ukládá nepravidelně, což podporuje růst dendritů a tepelnou nestabilitu.

Udržení stabilního pohybu lithia po povrchu elektrody se ukázalo jako obtížné i za mírných podmínek. V mnoha výzkumných prostředích jsou proudové hustoty kolem 4 miliampérů na centimetr čtvereční již považovány za vysoké. Překonání této nestability je vnímáno jako zásadní pro to, aby se lithium-kovové baterie staly použitelnými pro reálný provoz elektromobilů.

Chytrá ochranná vrstva mění tok náboje

Výzkumný tým vedli profesoři Nam-Soon Choi a Seungbum Hong z KAIST ve spolupráci s týmem profesora Sang Kyu Kwaka z Korejské univerzity. K problému přistoupili na úrovni elektronové struktury, místo aby se spoléhali na běžné úpravy materiálů.

Tým přidal do elektrolytu thiofen. To vytvořilo na povrchu lithia vrstvu, kterou vědci popisují jako „inteligentní ochrannou“ vrstvu. Na rozdíl od statických povlaků tato vrstva dynamicky reorganizuje svou elektronovou strukturu.

Jak se ionty lithia pohybují, vnitřní rozdělení náboje ve vrstvě se podle toho mění. Výzkumníci to přirovnali k chytrému dopravnímu systému, který upravuje jízdní pruhy na základě hustoty provozu. Toto flexibilní uspořádání vytváří stabilní cesty pro ionty lithia a zabraňuje nerovnoměrnému hromadění. Pomocí simulací teorie funkcionálu hustoty tým potvrdil, že toto aditivum poskytuje mnohem větší stabilitu rozhraní než stávající komerční přísady do elektrolytů. Výsledkem bylo účinné potlačení růstu dendritů i při agresivních podmínkách nabíjení.

Stabilní výkon při extrémním nabíjení

Vědci demonstrovali rychlé nabíjení během 12 minut při provozu s hustotou proudu vyšší než 8 mA na centimetr čtvereční. Takové úrovně se úzce blíží energetickým nárokům při rychlém nabíjení elektromobilů a scénářům prudkého zrychlení v reálném světě.

K ověření vnitřního chování baterie tým použil mikroskopii atomárních sil in situ. To jim umožnilo pozorovat ukládání lithia v nanometrovém měřítku. I při vysokém proudu se lithium ukládalo a odstraňovalo rovnoměrně po celém povrchu, což potvrdilo mechanickou a strukturální stabilitu.

Důležité je, že technologie funguje s běžně používanými materiály katod, včetně lithium-železo-fosfátu (LFP), lithium-kobalt-oxidu a lithium-nikl-kobalt-mangan-oxidu (NCM). Protože je kompatibilní se stávající chemií baterií, mohla by být integrována do současných systémů výroby elektromobilů.

Profesorka Choi uvedla: „Tento výzkum není pouhým vylepšením materiálu, ale úspěchem, který řeší základní problém baterií návrhem elektronové struktury. Stane se klíčovou základní technologií pro baterie elektromobilů příští generace, které současně dosáhnou rychlého nabíjení a dlouhé životnosti.“ Studie byla publikována v odborném časopise InfoMat.