Výzkum otevírá cestu k lithium-kovovým bateriím s vyšší životností a kratší dobou nabíjení, které mohou dramaticky zvýšit dojezd elektromobilů.

Vědci z Harvardské univerzity vyvinuli nový typ solid-state baterie, tedy baterie s pevným elektrolytem, který odděluje elektrody. Svůj výzkum publikovali v odborném časopise Nature Materials.

SEAS researchers have developed a new lithium metal battery that can be charged and discharged at least 6,000 times — more than any other pouch battery cell — and can be recharged in a matter of minutes. https://t.co/jU7iq1FQvw

— Harvard SEAS (@hseas) January 8, 2024

„Baterie s anodou z kovového lithia jsou považovány za svatý grál baterií, protože mají až desetkrát větší kapacitu než komerční baterie s grafitovou anodou a mohly by výrazně prodloužit dojezdovou vzdálenost elektromobilů,“ cituje web Harvardské univerzity docenta materiálových věd Xin Li, který výzkum vedl.

Li označuje výzkum svého týmu za „klíčový krok k praktickým polovodičovým bateriím pro průmyslové i komerční použití“. Nová konstrukce má baterii s pevným elektrolytem zajistit výdrž až 6 000 nabíjecích cyklů, což je více než jakákoli v současnosti dostupná lithiová baterie. Kromě toho by mělo být možné ji nabít do několika minut.

Hledání svatého grálu baterií

Výzkumníci řešili jeden z největších problémů při konstrukci baterií s pevným elektrolytem. Je jím vylučování látek a růst dendritů na povrchu anody.

Tyto vláknité struktury prorůstají do elektrolytu, vnikají do bariéry oddělující anodu a katodu, což snižuje kapacitu baterie. Nakonec tento proces může vyvolat zkrat, v krajním případě vznícení baterie a výbuch.

U lithium-kovových baterií způsobují dendrity větší potíže než u tradičních baterií lithium-iontových s grafitovou anodou, což brání jejich rozšíření.

Dendrity vznikají, když se ionty lithia během nabíjení přesouvají z katody na anodu a připojují se k povrchu anody v postupu nazývaném pokovování. Pokovování na anodě vytváří nerovný, nehomogenní povrch podobný zubnímu plaku a umožňuje dendritům zakořenit.

V roce 2021 Li a jeho tým navrhli jeden ze způsobů, jak se s dendrity vypořádat, a to tak, že se mezi anodu a katodu vkládají různé materiály s různou stabilitou. Tato vícevrstvá konstrukce měla bránit pronikání lithiových dendritů nikoli tím, že by je zcela zastavila, ale spíš tím, že je kontrolovala a zadržovala.

V novém výzkumu Li se svými spolupracovníky navrhl účinnější postup proti dendritům. Výzkumníci použili na anodě částice křemíku o velikosti mikronů, které omezují lithiovou reakci a usnadňují homogenní pokovení vrstvy lithia.

Jako čokoláda na lískovém oříšku

V tomto provedení se při pohybu iontů lithia z katody na anodu během nabíjení lithiová reakce omezuje na mělký povrch, ionty se připojují k povrchu křemíkové částice, ale nepronikají dál.

„V našem návrhu se lithium obalí kolem částice křemíku jako tvrdá čokoládová skořápka kolem jádra lískového oříšku,“ vysvětluje Li.

Takto potažené částice vytvářejí homogenní povrch, na kterém je proud rovnoměrně rozložen. Tím se brání růstu dendritů. A protože pokovení a odizolování může na rovnoměrném povrchu probíhat rychle, baterie je schopna se dobít za pouhých 10 minut.

Výzkumníci sestrojili verzi baterie o velikosti poštovní známky, která je 10 až 20krát větší než mincovní článek vyráběný ve většině univerzitních laboratoří. Baterie si po 6 000 (!) nabíjecích cyklech zachovala 80 procent kapacity.

Licenci na tuto technologii získala společnost Adden Energy, spin-off  Harvardu, který založili Li a další tři absolventi prestižní univerzity. Adden Energy zatím vytvořila baterii o velikosti vhodné pro chytré telefony.