Vysokonapěťové lithiové baterie

Dnešní článek přiblíží další vývojový typ lithium-iontových baterií. Lithium-iontové (Li-Ion) baterie jsou jedny z nejperspektivnějších technologií pro elektrochemické skladování elektrické energie, vyjma jejich značné komercializace, na tom mají zásluhu jejich výhody oproti jiným technologiím. Vysoké pracovní napětí, velká výstupní kapacita, dlouhá životnost a poměrně příznivá šetrnost k životnímu prostředí.

Li-Ion baterie díky tomu dosáhly širokého aplikačního rozsahu na přenosných elektronických zařízení a dále budou mít rozsáhlejší uplatnění v oblasti elektrických vozidel a inteligentních energetických sítí (Smart Grid). Zlepšování hustoty energie a výkonu Li-Ion baterií je stále jednou z největších výzev, proto výzkumné laboratoře vyvíjejí tzv. „high-voltage“ li-ion články.

Rozdíl mezi dosavadním a vysokonapěťovým Li-Ion článkem

Výkony jsou závislé na struktuře a vlastnostech aktivních materiálů elektrod a elektrolytů, ke zlepšení vlastností Li-Ion baterií jsou klíčové zejména vlastnosti katodových materiálů. LiCoO2 byl základní katodový materiál pro současně vyráběné lithium baterie. Poskytuje energetickou hustotu 150 Wh/kg. Nicméně, LiCoO2 mělo nedostačující vlastnosti. Výzkumné laboratoře proto vyvinuly lepší technologii vrstvených oxidů LiFePO4, Li(NiMnCO), a Li(NiCoAlO2). Avšak praktické kapacity těchto materiálů jsou srovnatelné nebo jen mírně vyšší než u komerčního LiCoO2. Nová technologie ovšem poskytuje vyšší bezpečnost a použití levnějších materiálů pro výrobu. Aby se podařilo zvětšit výkon baterií a zvětšit hustotu energie na hmotnost je potřeba zvětšit napětí aktivních materiálů.

Hlavní rozdíl je v použití aktivního materiálu, přesněji řečeno se změna odehrává na kladné elektrodě kde jsou využity materiály LiCoPO4, Li3V2(PO4)3, Li2CoPO4F a LiNiMnO4.

I když různé kobaltové nebo niklové katodové materiály (jako jsou fosfáty, sulfáty a křemičitany) vykazují vysoké napětí na elektrodě, většina z nich (s výjimkou fosfátů a fluorofosfátů) je složitá syntéza s dalšími oxidy ve velmi rané fázi výzkumu. Proto se tato část bude zabývat především katodovými materiály vysokého napětí na bázi fosfátů a fluorofosfátu, spinel, a na lithium bohatých vrstevných oxidů. U nových katodových materiálů dostáváme průměrnou hodnotu napětí 5 V, oproti současným 3,2 V. Tabulka uvedená pod textem je pouze výběr určitých zatím perspektivních  technologií. Například Li3V2(PO4)3 poskytuje teoretickou vybíjecí kapacitu 197 mAh/g. Nová vysokonapěťová technologie používá 3 li-ionty zcela extrahované až u napětí 4,8 V, zatímco pouze stávájící technologie dosahuje 2 li-iontů, které se extrahují mezi 3,0 až 4,3 V.

Vysokonapěťové elektrolyty

Elektrolyty jsou nepostradatelnou součástí baterie, jejich hlavním úkolem v lithiových bateriích je přenos li-iontů. Katody s vyšším napětím můžou způsobit chemickou reakci s elektrolytem, která může vést až oxidaci elektrolytu a zvýšení difuzní kinetiky li-iontů. Požadavek vysokého napětí katodových materiálů je velkou výzvou pro konvenční elektrolyty, které oxidují okolo 4,5 V. Řešením by byla organicko karbonová rozpouštědla, kde by se hranice pro oxidaci zvedla o cca 5 V. Proto se vyvíjejí i elektrolyty nezbytné pro realizaci vysokonapěťových lithiových baterií. Současné studie o vysokonapěťových elektrolytů se zaměřují především na nová stabilní rozpouštědla a funkční přísady.

Vývoj vysokonapěťových baterií je stále teprve na začátku

Nový vývoj vysokonapěťových lithium baterií je na začátku. První výsledky ukazují, že tento směr zvýšení napětí by mohl pomoci vyřešit určité problémy současných lithiových baterií. Zvýšením napětí na aktivních katodových materiálech je možné získat větší hustotu energie na gram, což znamená, že baterie se bude nabíjet rychleji a zvládne větší výkonové zatížení. Dále jejich vyšší pracovní napětí dává lepší Wh kapacitu. Zlepšení těchto vlastností by vyřešilo několik zásadních problémů dnešních baterií.

Bohužel se zjistilo, že využití dosavadních konvekčních elektrolytů u vysokonapěťových baterií nebude možné, proto se vyvíjejí vhodné elektrolyty s lepší difuzní kinetikou. To prodlouží čas, za který budou tyto technologie nasazeny na trh. Dále se pracuje na lepší stabilizaci, jelikož životnost vysokonapěťové technologie se pohybuje okolo 500 cyklů, což je oproti stávájící technologii poloviční hodnota. V tomto směru vývoje vylo dosaženo významného pokroku, stále ovšem bude zapotřebí velké úsilí.

zdroj úvodního obrázku: www.nexeon.co.uk