Litowo-metalowe ogniwa bezanodowe: Brama do maksymalizacji gęstości energii

Baterie litowo-metalowe będą miały znaczny udział w zasilaniu pojazdów elektrycznych nowej generacji. Producenci baterii litowo-metalowych coraz częściej wybierają podejście bez anody, konstruując ogniwa bez folii litowo-metalowych na anodzie. Takie rozwiązanie obniża koszty. Baterie „bez anody” są elektrochemicznie równoważne bateriom litowo-metalowym, ale są konstruowane bez nadmiaru litu. Zamiast tego aktywny materiał tworzący anodę jest osadzany na kolektorze prądu anody podczas pierwszego ładowania i pochodzi z katody (co ma również miejsce w przypadku ogniwa z anodą grafitową). Projekty bez anody mają stać się głównym celem komercjalizacji dla producentów baterii litowo-metalowych.

Źródło: freepik.com

Podobnie jak w przypadku typowych baterii litowo-metalowych, lit metaliczny osadza się na kolektorze prądu podczas ładowania i jest usuwany podczas rozładowywania poprzez transfer jonów litu przez elektrolit. Jednak ogniwa są konstruowane bez nadmiaru litu metalicznego w przypadku baterii bez anody, więc nie ma litu metalicznego na kolektorze prądu anody przed wystąpieniem pierwszego ładowania. W rezultacie osadzanie pierwszego ładunku jest jeszcze ważniejsze. Lit musi równomiernie osadzać się na kolektorze prądu i nie może być znaczących strat. W przeciwnym razie stabilność baterii zostanie znacznie pogorszona.

Rys. Budowa ogniwa litowo-metalowego Źródło: IDTechEx

Konstrukcja ogniwa bez anody ma dwie główne zalety: gęstość energii i koszty. Gęstość energii jest w nim lepsza, ponieważ w ogniwie znajduje się większa objętość materiału aktywnego (czyli nie ma nadmiaru litu, który nie odgrywa roli w generowaniu energii). Można również potencjalnie obniżyć koszty, ponieważ ogniwa można konstruować bez folii litowo-metalowych, które są drogie i trudne do wytworzenia ze względu na to, że muszą być bardzo cienkie. Rozwijając ogniwa bez anody trzeba pokonać dwa wyzwania. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnych baterii litowo-metalowych, ogniwa bez anody często wykazują wzrost dendrytów (igłowych struktur tworzących się zwykle na anodzie ładowanego ogniwa), co może skrócić ich żywotność. Jest to poważny problem, ponieważ w ogniwach nie ma nadmiaru materiału aktywnego. Bez niego straty materiału na nieodwracalne osadzanie litu mają jeszcze większy wpływ na wydajność baterii, ponieważ jego brak uniemożliwia rekompensowanie strat. W rezultacie ogniwa bez anody mogą mieć problemy z osiągnięciem konkurencyjnej żywotności.

Rozwiązania dla dendrytów

W celu wydłużenia żywotności baterii litowo-metalowej stosowane są trzy zasadnicze rozwiązania modyfikujące konstrukcję.

• Blokowanie mechaniczne: Warstwy bariery fizycznej można stosować w celu ograniczenia wzrostu dendrytów i zapobiegania ich dotarciu do elektrolitu. Może to oznaczać konieczność stosowania twardszych separatorów lub ich powłok. Jednak separator nadal musi być skonstruowany w taki sposób, aby jony mogły przepływać między elektrodami.
• Regulacja transportu jonów: Regulacja transportu jonów może pomóc w bardziej jednorodnym osadzaniu i usuwaniu litu. Może to oznaczać użycie żelu lub elektrolitu ceramicznego jako powłoki lub zamiast elektrolitu ciekłego. Służy to poprawie przewodnictwa w „szkielecie” separatora (tj. sztywnej sieci między porami). Separator 3D może służyć temu samemu celowi, choć może być droższy.
• Regulacja osadzania: Bezpośrednia regulacja osadzania ma pierwszorzędne znaczenie dla zapewnienia jednorodnego powlekania i usuwania oraz zapobiegania tworzeniu się dendrytów. W obu przypadkach może to oznaczać modyfikację kolektora prądu lub separatora w celu utworzenia trójwymiarowej sieci miejsc enukleacji. Do takich miejsc szczególnie przyciągane są jony litu z dobrą kontrolą miejsc osadzania. Przykłady obejmują zastosowanie nanorurek węglowych w strukturach cylindrycznych.

Gracze

Tematyką bezanodowego litu metalicznego zajmuje się wiele firm. Wiele z nich ma jednak trudności z uzyskaniem  całkowicie bezanodowego ogniwa. Zamiast tego dąży się do uzyskania niskiego nadmiaru metalu. Poniżej przedstawiono kilka przykładów:

• Ensurge Micropower: Ensurge opracował ogniwa bez anody do zastosowań w mikroenergetyce.
• QuantumScape: QuantumScape opracowuje ogniwa litowo-metalowe bez anody. Separator półprzewodnikowy jest używany do oddzielania kolektora prądu anody od roztworu katolitu, w którym materiał katody jest zawieszony w ciekłym elektrolicie organicznym.
• Our Next Energy (ONE): Our Next Energy opracowało ogniwa bez anody, które są używane w systemie podwójnej baterii w pojazdach elektrycznych. Konwencjonalne ogniwa z anodą grafitową są używane do większości wymagań energetycznych, podczas gdy ogniwa litowo-metalowe bez anody są używane do dłuższych podróży, tym samym omijając wyzwania związane z cyklem życia

Kluczowe wnioski

Oczekuje się, że ogniwa bez anody staną się głównym celem komercjalizacji przez deweloperów baterii litowo-metalowych ze względu na ich zwiększoną gęstość energii. Wyzwania związane z ich rozwojem są takie same jak w przypadku konwencjonalnych ogniw litowo-metalowych, ale są zaostrzone przez brak nadmiaru metalu. W rezultacie pomyślny rozwój ogniw z większym nadmiarem metalu może również doprowadzić do nowych innowacji w zakresie ogniw bez anody. IDTechEx przewiduje, że projekty bez anody będą stanowić znaczną część przyszłego rynku i podaje więcej szczegółów w swoim ostatnim raporcie: „Baterie litowo-metalowe 2025-2035: technologia, gracze i prognozy”.

Więcej informacji można znaleźć tutaj

Autor: Daniel Parr, analityk ds. technologii w IDTechEx