Materiály používané k výrobě lithiové autobaterie

Rychlý rozvoj elektromobilů zvýšil poptávku po surovinách používaných k výrobě lithiových baterií, což vyžaduje jejich získávání z původních nerostů, což vyvolává obavy jak z hlediska životního prostředí, tak ze sociálního hlediska.

Chemické složení lithiových baterií se liší podle toho, kolik energie mohou uchovat a kolikrát je lze dobít, a proto je výběr baterie pro konkrétní aplikaci zásadní.

Lithium-iontová chemie

Lithium-iontové baterie se rychle staly jednou z nejpoužívanějších technologií ve spotřební elektronice, jako jsou mobilní telefony a notebooky, a stále častěji se používají také v hybridních automobilech. Jejich vysoká hustota energie umožňuje uložit větší množství energie na menším prostoru než u tradičních bateriových technologií.

Li-ion baterie lze provozovat bezpečně, pokud jsou dodržovány specifické bezpečnostní předpisy. Ačkoli je riziko požáru u nich nižší než u lithium-kovových baterií, nesprávná manipulace s nimi může stále představovat nebezpečí.

Lithium-iontové baterie fungují na principu interkalace a extrakce, kdy se ionty lithia pohybují tam a zpět mezi anodou a katodou a vytvářejí roztok elektrolytu složený z nevodných rozpouštědel, jako je ethylenkarbonát nebo propylenkarbonát, který je oba obaluje. Do této baterie by se nikdy neměla dostat vlhkost kvůli silné afinitě lithia k vodě.

K vybíjení dochází, když se ionty lithia přesunou z anody do roztoku elektrolytu, kde se elektrickým proudem uvolní ze svých vazebných míst a následně se zbaví vazeb s anodou - uvolní se tak elektrony, které mohou volně proudit vnějšími vodiči a vykonávat práci.

Lithium-iontové baterie mají oproti svým protějškům mnoho výhod, včetně dobré energetické účinnosti a vysokého poměru výkonu k hmotnosti, nízké míry samovybíjení, dlouhé životnosti a přenosného provedení. Technologie oxidu kobaltu lithného umožňuje u lithium-iontových autobaterií vyšší hustotu energie než její alternativy.

Elektrolyty

Elektrolyty jsou životně důležité minerály, které jsou nezbytné pro hydrataci našeho těla a buněčné funkce, stejně jako pro celkové zdraví, jako je prevence únavy, závratí a bolestí hlavy. Nedostatek elektrolytů může dokonce vést k dehydrataci, která významně ovlivňuje život a zásadním způsobem narušuje každodenní rutinu.

Lithium-iontové baterie se spoléhají na nevodné elektrolyty, které zabraňují reakcím s vodou a chrání jejich elektrody před degradací. Často obsahují organické uhličitany, jako je ethylenkarbonát nebo propylenkarbonát, s komplexy, které v roztoku vážou ionty lithia; tento kapalný elektrolyt pak umožňuje pohyb iontů mezi anodovou a katodovou elektrodou a výrobu elektrické energie.

Jak se ionty lithia během vybíjení pohybují elektrolytem od anody ke katodě, procházejí procesem inzerce nebo interkalace, při kterém se přenášejí elektrony z katody. Tím vzniká výstup chemické energie uložené ve vnějším obvodu článku; během nabíjení tytéž ionty rekombinují se svými elektrony a vytvářejí elektřinu.

Dinca a jeho tým pracují na vývoji alternativních materiálů pro baterie, které obsahují méně kobaltu, například sodík nebo hořčík. Takové baterie by mohly být lehčí a levnější, což by je učinilo atraktivnějšími pro spotřebitele. Bezkobaltové baterie by měly mít lepší životnost cyklů, recyklovatelnost a mohly by být dokonce bezpečnější při přepravě a skladování než kobaltové.

Katoda

Katoda je jednou ze základních součástí lithiových baterií. Funguje jako elektrický vodič a usnadňuje pohyb iontů lithia mezi anodou a katodou během vybíjení a nabíjení. Katody mohou být složeny z různých materiálů, jako jsou oxidy přechodných kovů lithia, oxidy vanadu, oxidy na bázi manganu nebo fosforečnany lithia, které umožňují vratnou interkalaci/deinterkalaci iontů lithia během cyklů vybíjení/nabíjení.

Anoda je záporná elektroda, která při vybíjení článku odvádí elektrony do vnějšího obvodu. Naopak katody spojují kladně nabité ionty lithia s elektrony v elektrochemické redukční reakci na své kladné elektrodě. Elektrolyt slouží jako prostředník z hlediska transportu iontů lithia a elektronů mezi anodou a katodami; sám se elektrochemické reakce neúčastní.

Bylo vyvinuto mnoho různých katodových materiálů; tři nejrozšířenější v současné výrobě lze shrnout do LiCoO2, LiMn2O4 a LiFePO4. Každý z nich využívá lithium-iontovou chemii; jejich nabíjecí kapacita a cyklická stabilita se však u jednotlivých modelů liší.

Energetická hustota i životnost lithium-iontových baterií závisí na jejich katodách, protože tato součást uchovává velké množství iontů lithia s vysokou vodivostí a musí jich uchovávat velké množství, aby fungovaly optimálně. Pro další snížení odporu a zvýšení výkonu lze jako vodivé přísady přidávat různé vodivé přísady, jako jsou saze (CB), amorfní uhlík (AC) nebo uhlíková vlákna (CF); v tabulce 2 jsou uvedeny výsledky těchto přísad na vybíjecí kapacity a cyklické výkony různých katodových materiálů s různými porovnávanými vodivými přísadami.

Anoda

Životaschopnost lithium-iontových baterií do značné míry určují materiály jejich elektrod - známé také jako anody a katody - které hrají zásadní roli při regulaci hustoty energie a rozsahu napětí. Většina lithiových baterií využívá uhlíkové anody a katody, výzkumníci však zkoumají alternativní řešení.

K vybíjení dochází, když anoda uvolňuje lithiové ionty do katody interkalací, čímž vzniká proud a energie. Při nabíjení však dochází k opačnému procesu. Místo aby se ionty lithia interkalací vybíjely na katodu, dostávají se do elektrolytu (tvořeného solemi lithia suspendovanými v rozpouštědle dimethylkarbonátu). Odtud putují zpět k anodě a nakonec se tímto roztokem vracejí zpět a dokončují zpětný okruh.

Standardní grafitové anody nelze používat dlouhodobě, protože při opakovaném vkládání lithia se rozpadají a ztrácejí kapacitu, takže nezůstávají funkční články LIB. Byly navrženy alternativy, jako jsou hydroxidy kovů; jejich vysoké interkalační napětí však snižuje energetickou hustotu těchto baterií.

Společnost Amprius, která se specializuje na materiály pro baterie, vyvinula jako jedno z možných řešení anodu s křemíkovým pláštěm, který obaluje křemíkové nanodrátky. Její výkon byl již testován v pseudosatelitním akumulátoru Airbus Zephyr S pro testovací účely a byl vynikající: vydržel stovky nabíjecích cyklů a zároveň produkoval více než 435 W h/kg energie.

Odlučovač elektrod

Separátor je základní součástí lithiových baterií, slouží k oddělení kladné a záporné elektrody a zároveň umožňuje tok lithiových iontů. Je vyroben z porézní membrány z různých polyolefinových materiálů, jako je polyethylen nebo polypropylen, a jeho velikost ovlivňuje velikost proudu, který lze odebírat během vybíjení, a také určuje stabilitu během cyklování.

Pórovitost separátoru by měla být dostatečná, aby umožňovala volný pohyb iontů lithia mezi elektrodami, s širokým rozložením pórů, které se uzavřou, když je baterie odpojena od sítě nebo vypnuta; optimální velikost pórů se pohybuje mezi 30 a 100 nanometry. Kromě toho musí být také vysoká vodivost.

Zásadní je také smáčivost separátoru, který musí během provozu článku absorbovat dostatečné množství elektrolytu do svých pórů, aniž by docházelo k tvorbě dendritů a růstu SEI. Lze použít různé materiály separátorů, jako je netkaný PP, mikroporézní jednovrstvý PP, celulóza, skleněná vlákna, PTFE nebo třívrstvý PP/PE/PP; některé z nich mají zlepšené vlastnosti, jako je zvýšená odolnost vůči oxidaci nebo afinita/smáčivost s elektrolyty; tato zlepšení významně přispívají k bezpečnosti a životnosti baterií.

Současní sběrači

Proudové sběrače jsou nezbytnou součástí lithiových baterií, protože umožňují tok elektronů mezi katodovou a anodovou elektrodou, čímž pomáhají baterii dosáhnout vysoké hustoty energie a zvyšují její bezpečnost a výkon. Musí být navrženy tak, aby odolávaly vysokým provozním napětím, aniž by docházelo ke korozi jejich elektrod.

Kovy, jako je hliník a měď, se často používají jako sběrače proudu díky své relativně nízké ceně a vynikající elektrické vodivosti, avšak jejich křehkost vyžaduje velké tloušťky, aby byla zachována mechanická integrita.

Vědci z NREL přišli s novým způsobem, jak snížit tloušťku proudového kolektoru a zároveň zvýšit hustotu energie. Metoda spočívá v potažení aktivních materiálů ze separátorů lithiových baterií lepidlem, čímž se vytvoří tenké a zároveň lehké proudové kolektory, které pomohou zvýšit energetickou účinnost lithiových baterií pro automobily.

Vědci zkoumají metody, jak snížit tloušťku proudových kolektorů a současně zvýšit jejich elektrochemickou stabilitu. Materiály na bázi uhlíku nabízejí ve srovnání s kovovými materiály ekologičtější výrobní postupy a jsou stále častěji využívány jako proudové kolektory.

Proudové kolektory na bázi uhlíku mají oproti svým pevnějším protějškům mnoho výhod, včetně toho, že jsou lehčí a dostatečně pružné, aby zlepšily energetickou hustotu a kapacitu baterií - což je vzhledem k rostoucí oblibě lithium-iontových baterií stále důležitější požadavek.