Cercetătorii chinezi au reușit să depășească pragul de 600 Wh/kg pentru o baterie litiu-metal, atingând o densitate energetică de 602,5 Wh/kg într-o anumită configurație. Rezultatul a fost obținut de specialiști de la Tianmushan Lab și Universitatea Tsinghua și ar putea reprezenta un pas important pentru drone și aeronave electrice eVTOL, unde fiecare kilogram în plus influențează direct autonomia și timpul de zbor. Tehnologia se află însă încă în faza de cercetare și este departe de producția de serie.
O echipă de cercetători din China a reușit să atingă un nivel de densitate energetică despre care, până nu demult, se discuta în principal în cadrul studiilor teoretice. Specialiștii de la Tianmushan Lab și Universitatea Tsinghua au dezvoltat o baterie litiu-metal care poate depăși pragul de 600 Wh/kg.
Într-o configurație experimentală, bateria a ajuns la 602,5 Wh/kg, o valoare considerabil mai mare decât cea oferită de actualele baterii litiu-ion comerciale cu anod din grafit.
Rezultatele cercetării au fost publicate recent în revista științifică Nature Communications. Deși această tehnologie nu este încă pregătită pentru producția de masă, performanța obținută atrage deja atenția industriei, în special datorită potențialului său în domeniul mobilității electrice aeriene.
De ce este importantă acum o baterie de peste 600 Wh/kg?
Momentul acestei descoperiri este deosebit de important deoarece piața așa-numitei „economii la joasă altitudine” se dezvoltă rapid atât în China, cât și în alte regiuni ale lumii. În această categorie intră, printre altele, dronele și aeronavele electrice cu decolare și aterizare verticală, cunoscute sub acronimul eVTOL.
Cererea pentru astfel de vehicule crește constant, însă una dintre cele mai mari probleme care împiedică adoptarea lor pe scară largă este în continuare reprezentată de densitatea energetică a bateriilor.
Problema este simplă: pentru a rămâne mai mult timp în aer, o aeronavă trebuie să transporte suficientă energie, dar bateria care stochează această energie are, la rândul ei, o anumită masă. Cu cât greutatea bateriei este mai mare, cu atât este nevoie de mai multă energie pentru a menține vehiculul în aer.
Din acest motiv, fiecare îmbunătățire exprimată în Wh/kg poate avea un impact foarte important asupra autonomiei unui vehicul aerian.
O creștere a densității energetice care poate părea modestă în cazul unei mașini electrice poate avea consecințe mult mai mari în cazul unei drone sau al unei aeronave eVTOL. În aceste aplicații, raportul dintre energia disponibilă și masa bateriei poate determina direct cât timp poate zbura vehiculul și ce distanță poate parcurge.
De ce bateriile litiu-ion tradiționale se apropie de limita lor?
Bateriile litiu-ion comerciale care folosesc anod din grafit au ajuns deja foarte aproape de limita teoretică a tehnologiei actuale. Densitatea energetică a acestora se apropie de aproximativ 350 Wh/kg, ceea ce face din ce în ce mai dificilă obținerea unor progrese majore prin simpla optimizare a chimiei existente.
Pentru aplicații care necesită autonomie foarte mare, în special în domeniul aviației electrice, această limitare devine tot mai evidentă.
Una dintre soluțiile considerate de mult timp promițătoare este utilizarea unui anod din litiu metalic. Litiul metalic are o capacitate specifică foarte ridicată, ceea ce îi oferă un avantaj important în ceea ce privește cantitatea de energie care poate fi stocată raportată la masa bateriei.
Problema este că trecerea de la laborator la o baterie comercială este extrem de dificilă.
Producătorii trebuie să obțină simultan trei lucruri:
- densitate energetică foarte mare;
- durată de viață suficient de lungă;
- siguranță în exploatare.
Combinația dintre aceste obiective s-a dovedit dificil de realizat.
În timpul funcționării la tensiuni ridicate, electrolitul se poate degrada. În același timp, pe suprafața anodului din litiu metalic pot apărea structuri numite dendrite de litiu.
Aceste dendrite reprezintă o problemă serioasă. Ele pot reduce performanțele și durata de viață a bateriei, iar în anumite condiții pot crește semnificativ și riscul unor probleme de siguranță.
Tocmai aceste dificultăți au împiedicat până acum bateriile litiu-metal să treacă de la rezultate experimentale promițătoare la o utilizare comercială pe scară largă.
Cum au reușit cercetătorii să stabilizeze bateria litiu-metal?
Echipa chineză a abordat problema printr-o strategie nouă de proiectare, pe care cercetătorii o descriu drept o „structură de solvatare coordonată consolidată cu aditivi”.
Pe baza acestei abordări a fost dezvoltat un nou tip de aditiv pentru electrolit. Acesta are rolul de a stabiliza simultan cele două interfețe importante ale celulei.
La suprafața catodului se formează un strat protector subțire, dar dens și stabil. Acesta reduce degradarea structurii materialului provocată de procesele repetate de încărcare și descărcare la tensiuni ridicate.
În același timp, pe anodul din litiu metalic se formează un alt strat stabil la nivelul interfeței. Acesta contribuie la limitarea formării dendritelor de litiu.
Potrivit cercetătorilor, această protecție pe ambele părți îmbunătățește transportul ionilor de litiu și reduce în același timp unele dintre riscurile asociate funcționării bateriei.
Prin urmare, adevărata importanță a rezultatului nu constă doar în atingerea recordului de peste 600 Wh/kg. La fel de important este faptul că cercetătorii au reușit să obțină această densitate energetică în paralel cu îmbunătățirea stabilității celulei.
Exact această combinație, între densitate energetică ridicată, durată de viață și siguranță, a reprezentat una dintre cele mai dificile probleme pentru tehnologia litiu-metal.
Ce valori au obținut bateriile: 550,7 și 602,5 Wh/kg?
Cercetătorii au testat două configurații diferite de catod, iar ambele au produs rezultate importante.
Prima configurație a folosit un catod ternar cu conținut ridicat de nichel. Celulele pouch cu o capacitate de 10 Ah au atins o densitate energetică de 550,7 Wh/kg.
Chiar și după 180 de cicluri de încărcare și descărcare, aceste celule au păstrat 80% din capacitatea inițială.
A doua configurație a utilizat un catod pe bază de mangan, bogat în litiu. În acest caz, energia specifică reversibilă a ajuns la 602,5 Wh/kg.
Potrivit cercetătorilor, această valoare reprezintă o îmbunătățire de peste 50% față de bateriile de tracțiune utilizate pe scară largă în prezent.
Diferența dintre cele două configurații este interesantă și dintr-un alt punct de vedere. Alegerea materialului catodic poate avea un impact de aproape 10% asupra densității energetice, chiar și la nivelurile foarte ridicate obținute în această cercetare.
Cu alte cuvinte, depășirea pragului de 600 Wh/kg nu înseamnă că dezvoltarea tehnologiei s-a încheiat. Dimpotrivă, materialele utilizate și arhitectura celulei lasă încă loc pentru optimizări suplimentare.
Când ar putea ajunge bateriile litiu-metal pe piață?
În ciuda rezultatelor impresionante, cercetătorii subliniază că bateria se află în continuare într-o etapă de cercetare de laborator.
Mai sunt necesare dezvoltări tehnice, optimizări și teste suplimentare înainte ca această tehnologie să poată fi produsă în volume mari și utilizată în aplicații comerciale.
Valoarea de peste 600 Wh/kg este deosebit de importantă pentru vehiculele în cazul cărora masa bateriei influențează direct performanțele și autonomia. Din acest motiv, printre primele aplicații în care o astfel de tehnologie ar putea avea un avantaj real se numără dronele și aeronavele eVTOL.
O baterie cu densitate energetică mai mare ar putea permite creșterea timpului de zbor și a autonomiei fără ca masa întregului pachet de baterii să crească proporțional.
Pentru o aeronavă electrică, acest lucru poate fi esențial. O baterie mai ușoară, dar cu aceeași cantitate de energie disponibilă, poate îmbunătăți eficiența întregului sistem și poate permite transportarea unei sarcini utile mai mari sau atingerea unei autonomii superioare.
Rămâne însă deschisă întrebarea privind momentul în care bateriile litiu-metal de acest tip vor ajunge în mașinile electrice obișnuite.
Pentru acest lucru nu este suficient un rezultat excelent obținut în laborator. Tehnologia trebuie să demonstreze că poate fi fabricată la scară mare, cu randamente ridicate, costuri competitive și un nivel de siguranță corespunzător utilizării de zi cu zi.
Dacă aceste probleme vor putea fi rezolvate, pragul de 600 Wh/kg ar putea deveni unul dintre cele mai importante repere în dezvoltarea următoarei generații de baterii.
Pentru moment, rezultatul obținut de cercetătorii de la Tianmushan Lab și Universitatea Tsinghua arată însă că bateriile litiu-metal au potențialul de a depăși semnificativ limitele actualelor baterii litiu-ion cu anod din grafit. Iar dacă această tehnologie va putea fi transformată într-un produs fiabil și accesibil, primele domenii care ar putea beneficia de ea sunt probabil cele în care fiecare kilogram contează cel mai mult: dronele, eVTOL-urile și alte vehicule electrice aeriene.
Urmărește-ne și pe Google News
