Problemy z ładowaniem w niskich temperaturach
Obecnie stosowane baterie litowo-jonowe tracą wydajność podczas ładowania w niskich temperaturach. Dzieje się tak, ponieważ przepływ jonów litu między elektrodami przez ciekły elektrolit ulega spowolnieniu. Skutkuje to nie tylko wolniejszym ładowaniem, ale również mniejszą mocą baterii.
Producenci pojazdów elektrycznych próbowali rozwiązać ten problem, zwiększając grubość elektrod w ogniwach. Choć zwiększa to zasięg pojazdów, ogranicza dostępność litu w głębi elektrody, przez co proces ładowania staje się jeszcze wolniejszy.
Nowatorskie podejście zespołu z Michigan
Zespół naukowców pod kierunkiem Neila Dasgupty z Uniwersytetu Michigan zaprojektował proces produkcji baterii, który eliminuje dotychczasowe ograniczenia. Jak wyjaśnia Dasgupta:
Po raz pierwszy pokazaliśmy sposób, w jaki można jednocześnie osiągnąć ekstremalnie szybkie ładowanie w niskich temperaturach, bez poświęcania gęstości energii baterii litowo-jonowej.
Nowa technologia pozwala ładować baterie choćby 500% szybciej w temperaturze -10°C (14°F). najważniejsze znaczenie mają dwie modyfikacje: strukturalna i chemiczna.
Wcześniej zespół Dasgupty opracował metodę wiercenia tuneli o szerokości 40 mikrometrów w anodzie. Robiono to dzięki laserów, które przebijały się przez grafit. Takie kanały umożliwiają szybki dostęp jonów litu do głębszych warstw elektrody. Przyspieszyło to ładowanie w temperaturze pokojowej, ale nie rozwiązywało problemów przy mrozie.
Kolejnym krokiem było zapobieżenie tworzeniu się warstwy chemicznej na powierzchni elektrody, która w niskiej temperaturze utrudnia przepływ litu i powoduje odkładanie się metalu na anodzie. Jak tłumaczy Manoj Jangid, współautor badania:
To osadzanie się metalu uniemożliwia naładowanie całej elektrody, ponownie zmniejszając pojemność energetyczną baterii.
Aby temu zapobiec, naukowcy pokryli elektrodę cienką, bo zaledwie 20-nanometrową warstwą szklistego materiału złożonego z boranu i węglanu litu. Takie rozwiązanie zapobiegło tworzeniu się niepożądanej warstwy oraz znacząco przyspieszyło ładowanie w zimnie.
Imponujące wyniki testów
Baterie testowe, w których zastosowano zarówno kanały, jak i powłokę ochronną, zachowały 97% pojemności po 100 cyklach szybkiego ładowania w temperaturach poniżej zera. Takie osiągi otwierają nowe możliwości dla pojazdów elektrycznych w chłodniejszych rejonach świata.
Komercjalizacja i dalsze prace
Proces nie wymaga zmian w istniejących fabrykach, co – zdaniem autorów – ułatwi wdrożenie technologii na szeroką skalę. Rozwój przemysłowej wersji procesu wspiera Michigan Economic Development Corporation, poprzez program MTRAC Advanced Transportation Innovation Hub.
Technologią zainteresowała się firma Arbor Battery Innovations, która posiada licencję na jej komercjalizację. Uniwersytet Michigan i Neil Dasgupta mają w niej udziały finansowe.
Urządzenia opracowano w U-M Battery Lab, a badania materiałowe prowadzono w Michigan Center for Materials Characterization. Wniosek patentowy został już złożony.
