Elektromobil nabitý za 6 minut? Vědci mají zlepšovák pro baterie

Výzkumníci z jihokorejské Seoul National University of Science and Technology (Seoultech) nyní představili nový materiál pro anodu lithium-iontových baterií, který by mohl vyřešit jeden z problémů okolo nabíjení elektromobilů. Týká se nadměrného opotřebení baterie v případě, kdy se nabíjí vysokým výkonem. To je předpokladem pro co nejrychlejší nabití, nicméně má to svá úskalí.

Při laboratorních testech si baterie s nově vyvinutou anodou zachovala 86 procent původní kapacity. A to i při velmi vysokém nabíjecím výkonu 10C. Pro lepší představu: Tak vysoký nabíjecí proud by baterii teoreticky zcela nabil během pouhých šesti minut.

Proč nemůžeme baterii jednoduše nabíjet stále větším výkonem?

Jedna z překážek extrémně rychlého nabíjení se skrývá na záporném pólu baterie, tedy anodě.

Pokud do lithium-iontového akumulátoru posíláme velké množství energie, tedy nabíjíme extrémně vysokým proudem, může na rozhraní mezi anodou a elektrolytem docházet k elektrochemické nestabilitě. Na povrchu anody se potom začne usazovat kovové lithium.

Tomuto jevu se říká „lithium plating“. A pro správnou funkci baterie rozhodně není žádoucí.

Drobné usazeniny mohou postupně snižovat výkon a životnost baterie. V nejhorším případě také představují bezpečnostní riziko a mohou přispět ke vzniku požáru. Právě proto existuje hranice, za kterou už další bezhlavé zvyšování nabíjecího výkonu nedává smysl.

Jednou z možných cest jsou speciální materiály pro anody, které díky vyššímu pracovnímu potenciálu omezují usazování kovového lithia. Ani ty ale zatím nejsou bez problémů. Jejich slabinou bývá horší vodivost iontů a tepelná nestabilita, což opět omezuje výkon a životnost baterie.

Vědci úmyslně změnili poměr prvků: Baterii tím vyztužili a otevřeli cestu k rychlejšímu nabíjení

Tým vedený profesorem Dongwookem Hanem se proto zaměřil na materiál založený na lithium-titan-fosfátu, zkráceně LTP. Ten má specifické vnitřní uspořádání, které nabízí vysokou strukturální a tepelnou stabilitu a zároveň umožňuje rychlý pohyb lithiových iontů.

Vědci ale tentokrát změnili jeho složení. Místo běžného chemicky vyváženého poměru jednotlivých prvků úmyslně zvýšili množství fosforu v poměru k titanu. Na první pohled může jít o nenápadnou změnu. Uvnitř materiálu ale způsobila něco velmi zajímavého.

V důsledku nedostatku titanu se v blízkosti povrchu částic vytvářejí oblasti bohaté na fosforečnan titanu. Ty podle výzkumníků zjednodušeně fungují jako vstupní brány pro lithiové ionty. Snižují energetickou překážku, kterou musejí ionty při vstupu do anody překonat, a pod jejím povrchem jim vytvářejí rychlejší transportní cesty.

Další vazby v materiálu mají současně fungovat trochu jako tlumiče. Zachycují změny objemu, ke kterým při rychlém nabíjení dochází, a pomáhají chránit krystalickou strukturu před trvalým poškozením.

Šestiminutové nabíjení: Nová anoda zvládla více než 250 cyklů

Výsledky laboratorních testů vypadají slibně. Nová baterie s pozměněnou anodou byla vystavena nabíjecímu výkonu 10C. Za těchto podmínek si zachovala 86 procent své původní kapacity. Podle výzkumníků běžná LTP anoda při stejné zátěži výrazně rychleji degraduje. Nový materiál navíc zůstal stabilní i po více než 250 nabíjecích a vybíjecích cyklech.

Výzkumníci věří, že by princip mohl najít využití nejen u budoucích elektromobilů, ale také u dalších systémů pro ukládání energie. Těžit by z něj mohly i baterie s pevným elektrolytem.

Znamená to, že budeme elektromobily brzy nabíjet jen šest minut? Zatím rozhodně ne

Slibná očekávání je ale potřeba brzdit. Mezi úspěšným laboratorním experimentem a produkcí baterií pro reálné nasazení v provozu je ještě dlouhá cesta.

Výzkum je v rané fázi a nový materiál zatím není připravený pro sériovou výrobu. Ani pozitivní výsledky testů proto neznamenají, že se v dohledné době objeví elektromobily, jejichž baterie budeme běžně nabíjet za šest minut.

Laboratorní hodnota nabíjecího výkonu 10C je především důkazem, že nově navržená anoda zvládla dobře fungovat i při podmínkách odpovídajících ultrarychlému nabíjení.

Pro nás je však zajímavější samotný princip. Pokud chceme nabíjení elektromobilů dál výrazně zrychlovat, nestačí pouze stavět výkonnější nabíjecí stojany. Stejnému tempu musí být přizpůsobena také samotná baterie.

Je třeba kvůli rychlonabíječkám šetřit baterii? Moderní elektromobil se chrání sám

Výzkum může trochu znepokojit majitele současných elektromobilů. Pokud rychlé nabíjení podporuje vznik nežádoucích procesů uvnitř baterie, neměli bychom se raději rychlonabíječkám vyhýbat?

Kvůli občasnému rychlému nabíjení není důvod k obavám. Moderní elektromobily používají systém řízení baterie, který nabíjecí výkon průběžně upravuje.

Pokud je baterie příliš studená nebo horká, případně se blíží vysokému stavu nabití, systém výkon automaticky sníží. Tím akumulátor chrání. Proto také maximální hodnoty, kterou výrobce uvádí u nabíjení elektromobilu, obvykle nedosahujeme po celou dobu připojení ke stojanu.

Navíc (podle zveřejněných informací) ukazují data z dlouhodobého reálného provozu, že jsou rozdíly ve zdraví baterií mezi elektromobily často nabíjenými rychle a těmi, které využívají převážně pomalé nabíjení, jen malé.

Nový materiál tedy neřeší problém, kvůli kterému bychom dnes museli mít strach připojit elektromobil k rychlonabíječce. Jeho význam může být především v něčem jiném: Mohl by posunout hranici, jak rychle budeme schopni baterii nabíjet, aniž bychom za několik minut ušetřených u stojanu zaplatili rychlejším opotřebením akumulátoru.

Zdroj: DOI, EV Engineering, Technology Networks