W skrócie:
- Baterie litowo-manganowe (LMR) uznawane są za jedną z najbardziej obiecujących technologii
- Problemem jest ich trwałość i powstawanie gazów wewnątrz ogniw
- Nie jest wykluczone, że już niedługo przeszkody te zostaną zniwelowane – wynika z najnowszych badań LG Solution i naukowców z seulskiego uniwersytetu
- Opracowane ogniwa zachowały 92,2% początkowej energii po 883 pełnych cyklach ładowania i rozładowania
LG i tańsze akumulatory na horyzoncie
Wyścig o tańsze i bardziej wydajne baterie do samochodów elektrycznych trwa w najlepsze. Jednym z kierunków, który od kilku lat wzbudza szczególne zainteresowanie branży, są akumulatory wykorzystujące katody typu lithium manganese-rich (LMR), czyli bogate w mangan.
Naukowcy z LG Energy Solution wspólnie z zespołem prof. Jongwoo Lima z Uniwersytetu Narodowego w Seulu poinformowali o postępach w rozwiązaniu jednego z najpoważniejszych problemów tej technologii. Wyniki badań zostały opublikowane na łamach czasopisma „Nature Communications” i wskazują, że odpowiednie zarządzanie procesami ładowania, rozładowywania oraz formowania ogniw może znacząco poprawić stabilność dużych ogniw LMR przeznaczonych do pojazdów elektrycznych.
Technologia LMR jest atrakcyjna przede wszystkim dlatego, że pozwala wykorzystać mangan, który jest znacznie tańszym surowcem niż kobalt. Jednocześnie zachowuje potencjał wysokiej gęstości energii dzięki wykorzystaniu reakcji elektrochemicznych zachodzących nie tylko z udziałem niklu i manganu, ale również tlenu znajdującego się w strukturze katody – donosi Electric CarS Report
Tlen był największym problemem
To właśnie aktywność tlenu stanowiła do tej pory główną przeszkodę w komercjalizacji baterii LMR. Podczas ładowania część tlenu w strukturze katody ulega utlenieniu. Jeśli podczas rozładowania nie wróci on całkowicie do pierwotnego stanu, może dochodzić do degradacji materiału katodowego i powstawania gazów wewnątrz ogniwa.
W przypadku dużych ogniw stosowanych w samochodach elektrycznych problem jest szczególnie istotny. Ograniczona ilość wolnej przestrzeni wewnątrz ogniwa sprawia, że gromadzące się gazy mogą zwiększać ciśnienie, pogarszać osiągi akumulatora, skracać jego żywotność, a także wpływać na bezpieczeństwo użytkowania – pisze Herald Corp.
Badacze przeanalizowali zachowanie tlenu przy różnych parametrach ładowania i rozładowywania. Okazało się, że kluczowe znaczenie ma nie tylko maksymalne napięcie ładowania, ale również dolna granica napięcia podczas rozładowania.
W trakcie testów obniżenie górnego napięcia ładowania z 4,6 V do 4,3 V zwiększyło skuteczność przywracania utlenionego tlenu z 86 do 97 proc. Dodatkowo obniżenie napięcia końcowego rozładowania z typowych 3,0 V do 2,0 V pozwoliło przywrócić tlen niemal do jego pierwotnego stanu chemicznego – wylicza Finance Yahoo.
Prawie 900 cykli i ponad 92 proc. pojemności
Na podstawie uzyskanych wyników LG Energy Solution przeprojektowało zakres napięć roboczych oraz proces formowania dużych ogniw LMR o pojemności 40 Ah. Firma zastosowała również formowanie w niższej temperaturze, co pozwoliło ograniczyć zjawisko generowania gazów.
Efekt okazał się obiecujący. Opracowane ogniwa zachowały 92,2 proc. początkowej energii po 883 pełnych cyklach ładowania i rozładowania. To jeden z najważniejszych wyników badania, ponieważ właśnie trwałość i powstawanie gazów były dotychczas głównymi barierami utrudniającymi wykorzystanie technologii LMR w dużych akumulatorach trakcyjnych.
Jak podkreślił prof. Jongwoo Lim: „Badanie pozwoliło zidentyfikować przyczyny degradacji baterii LMR z perspektywy odwracalności reakcji tlenu i pokazało, że stabilność ogniw można poprawić wyłącznie poprzez odpowiednie zaprojektowanie protokołów elektrochemicznych” – cyt. Korea Herald.
Z kolei przedstawiciele LG Energy Solution wskazują, że wyniki pokazują możliwość skutecznego ograniczenia generowania gazów przy jednoczesnym zachowaniu stabilnej żywotności cyklicznej, co może przyspieszyć komercjalizację tej technologii.
Kolejny krok w stronę tańszych samochodów elektrycznych
Jeżeli wyniki laboratoryjne uda się przełożyć na produkcję masową, to baterie LMR mogą stać się istotną alternatywą dla obecnie stosowanych ogniw opartych na drogich surowcach, zwłaszcza kobalcie. Dla producentów samochodów oznaczałoby to możliwość obniżenia kosztów akumulatorów bez konieczności rezygnowania z wysokiej gęstości energii.
Rzecz jasna droga do pełnej komercjalizacji jest długa, ale najnowsze badania pokazują, że przyszłość baterii nie musi opierać się wyłącznie na nowych materiałach. Czasem równie ważne okazuje się lepsze zrozumienie i kontrolowanie procesów zachodzących wewnątrz ogniwa – analizuje The Korea Times.
Jakie technologie bateryjne są dziś stosowane na masową skalę?
Obecnie w samochodach elektrycznych dominują niemal wyłącznie akumulatory litowo-jonowe, ale występują one w kilku głównych odmianach chemicznych:
• NMC (nikiel-mangan-kobalt)
Najpopularniejsza technologia w wielu samochodach europejskich, koreańskich i japońskich. Łączy wysoką gęstość energii z dobrym zasięgiem.
• NCA (nikiel-kobalt-aluminium)
Technologia o bardzo wysokiej gęstości energii, wykorzystywana m.in. przez Teslę w części modeli produkowanych w USA oraz przez niektórych producentów premium.
• LFP (litowo-żelazowo-fosforanowa)
Obecnie najszybciej rosnący segment rynku. Baterie są tańsze, nie wykorzystują kobaltu ani niklu, charakteryzują się wysoką trwałością i bezpieczeństwem.
LMFP (litowo-manganowo-żelazowo-fosforanowa)
Rozwijana wersja LFP z dodatkiem manganu, mająca zwiększyć gęstość energii przy zachowaniu niskich kosztów. Pierwsze wdrożenia komercyjne już się pojawiają, głównie w Chinach.
• LTO (litowo-tytanowa)
Technologia niszowa, stosowana głównie w autobusach, magazynach energii i pojazdach specjalistycznych. Oferuje bardzo szybkie ładowanie i wyjątkową trwałość, ale ma niską gęstość energii.
• LMR (lithium manganese-rich)
To właśnie nad tą ostatnią technologią pracuje LG Energy Solution. Nie jest jeszcze produkowana masowo, ale jest postrzegana jako jeden z kandydatów do kolejnej generacji baterii trakcyjnych dzięki możliwości ograniczenia kosztów oraz zmniejszenia zależności od kobaltu.
Oskar Włostowski
