Průlom v bateriích: Solid-state technologie dosahuje 350 Wh/kg a 500 cyklů bez tlaku

Vědci z Korejského elektrotechnického výzkumného institutu (KERI) vyvinuli inovativní nano-cínovou mezivrstvu, která umožňuje plně solid-state bateriím efektivně fungovat při ultra nízkém tlaku pouhých 2 MPa.

Vědci z Korejského elektrotechnického výzkumného institutu (KERI) vyvinuli inovativní nano-cínovou mezivrstvu, která umožňuje plně solid-state bateriím efektivně fungovat při ultra nízkém tlaku pouhých 2 MPa. Tato nová technologie představuje významný krok vpřed, neboť dosahuje energetické hustoty přesahující 350 Wh/kg, což je výrazně více než 150–250 Wh/kg typických pro konvenční lithium-iontové baterie používané v současné elektronice a elektromobilech.

„Jedná se o světově vedoucí úspěch, který zdůrazňuje potenciál plně solid-state baterií maximalizovat výkon bez těžších systémů nebo dodatečných nákladů,“ uvedli vědci v tiskové zprávě. Tým dále oznámil, že velkoplošné pouch články využívající tuto mezivrstvu si po 500 cyklech nabíjení a vybíjení udržely více než 81 procent své kapacity. Díky snížení mezifázového odporu a potlačení růstu lithiových dendritů tato technologie řeší hlavní mechanickou překážku komerčního využití lithiových kovových anod. Vývoj umožňuje vysokovýkonným bateriím fungovat bez objemného tlakového hardwaru, který často přidává nadměrnou hmotnost a objem do bateriových sad elektromobilů.

Překonávání technických překážek v chemii pevných látek

Plně solid-state baterie jsou považovány za „baterii snů“ díky výrazně sníženému riziku požáru. Nahrazují kapalné elektrolyty pevnými materiály, čímž minimalizují rizika požáru, ačkoli udržení efektivního pohybu iontů mezi pevnými vrstvami zůstává technickou výzvou. „Mezifázový odpor vzniká z nestabilního fyzického kontaktu mezi pevným elektrolytem a elektrodovými materiály, čímž brání efektivnímu transportu iontů,“ vysvětlili vědci. Konvenční řešení často zahrnují aplikaci vnějšího tlaku v řádu desítek megapascalů nebo využití složitých povlakovacích procesů, které zvyšují výrobní náklady a snižují účinnost balení. Tým KERI, vedený Dr. Nam Ki-Hunem z Centra pro výzkum bateriových materiálů a procesů, aplikoval tenkou vrstvu nano-velkého cínového prášku pomocí transferového tisku, aby vytvořil dodatečnou cestu pro transport iontů a chránil lithiovou anodu před degradací během cyklování. „Snižuje fyzické poškození lithiového kovu snížením mezifázového odporu a zároveň slouží jako cesta pro transport iontů, čímž výrazně snižuje celkový odpor článku,“ poznamenali vědci.

Simulace podpořily experimentální práci

Experimentální práci podpořily simulace prvních principů, které provedl Dr. Kim Youngoh z KERI Centra pro výzkum baterií nové generace. Tyto simulace sledovaly, jak slitiny na bázi cínu regulují transport lithia na atomové a elektronové úrovni, a poskytly specifické principy návrhu pro budoucí materiály mezivrstev. Tento výpočetní přístup snižuje závislost na metodě pokus-omyl při výběru materiálů a vysvětluje, jak cínová vrstva stabilizuje rozhraní a snižuje celkový odpor článku. Dr. Nam Ki-Hun uvedl, že studie řeší škálovatelnost na velké plochy a mezifázovou stabilitu, což jsou oba požadavky pro komercializaci plně solid-state baterií. Potenciální budoucí aplikace této technologie zahrnují elektromobily, humanoidní robotiku a stacionární systémy pro ukládání energie. Vedoucí projektu Dr. Ha Yoon-Cheol dodal, že výsledky představují pokrok směrem k zajištění konkurenční výhody v bateriovém průmyslu a posílení strategických technologických schopností. Výzkum byl spolufinancován Kim Garamem a Im So-Jeongem a v Koreji byla podána domácí patentová přihláška na technologii nano-cínové mezivrstvy. Zjištění poskytují praktickou metodu pro výrobu vysokokapacitních baterií, které zůstávají stabilní za mírných provozních podmínek, což zjednodušuje přechod od laboratorních prototypů k průmyslové výrobě. Studie byla publikována v časopise Advanced Energy Materials.