O echipă de ingineri chinezi a creat o baterie litiu-ion care funcţionează la -80 grade Celsius

Bateriile litiu-ion sunt cunoscute pentru o densitate energetică mai mare şi, în diferite variaţii ale chimiei lor, domină deocamdată lumea transportului electric cu baterii. Totuşi, la temperaturi foarte joase, acestea tind să aibă performanţe scăzute în puterea de descărcare şi încărcare, iar echipe din ingineri din toată lumea dezvoltă soluţii alternative. Cele mai viabile soluţii de până acum s-au dovedit a fi bateriile cu stare solidă, care funcţionează mult mai bine la temperaturi joase şi sunt pe cale de a fi puse în producţie la scară largă de mai multe companii şi echipe din lume. Acum, însă, o echipă de ingineri din China condusă de Fan Xiulin, de la universitatea Zhejiang, a elaborat o baterie litiu-ion, care poate funcţiona la fel de bine până la temperaturi de -80 grade Celsius!

Foto: Aşa arată o celulă a noii baterii chineze. Sursa foto: Universitatea Zhejiang

Problema funcţionării la temperaturi scăzute a bateriilor litiu-ion e cauzată de electrolitul acesta — de acel strat separator dintre anod şi catod, adică dintre electrozii bateriei. Acel electrolit e de obicei un material solvent, mai mult sau mai puţin lichid, până la consistenţa unui gel. La temperaturi foarte coborâte, acest material îşi schimbă proprietăţile şi odată cu asta se schimbă permeabilitatea lui pentru electronii care trebuie să treacă prin el dintr-un electrod al bateriei în altul la încărcare şi în direcţie inversă la descărcare. Dacă permeabilitatea e redusă la rece, mai puţini electroni pot migra dintr-o parte în cealaltă, ceea ce înseamnă că se reduce puterea de încărcare şi descărcare a bateriei în acele condiţii de ger.

Totodată, odată ce acel strat e mai puţin permeabil, mai mulţi electronic rămân blocaţi în structura moleculară a acestuia, formând mai acceleraţi depuneri, sau dendrite. Aceste dendrite se formează la bateriile litiu-ion şi aşa la puteri foarte mari de încărcare, în timp, doar că în asemenea condiţii de rece, când electrolitul devine practic solid şi impermeabil, cantitatea de electroni blocaţi va fi mai mare şi gradul de depunere a dendritelor va creştere. Asta înseamnă degradare accelerată a bateriei şi pierdere a capacităţii bateriei. Tocmai de asta e atât de important să se precondiţioneze bateria înainte de încărcare şi tocmai de asta unele maşini limitează puterea disponibilă când bateria e foarte rece.

Foto: Ilustraţie a dendritelor în interiorul stratului electrolit

Aşadar, în cele două alineate de mai sus am rezumat foarte pe scurt problemele actuale ale bateriilor litiu-ion la temperaturi foarte scăzute şi tocmai pentru a le gestiona, toate maşinile moderne mai avansate au sisteme atât de avansate de management termic, care nu-i permit bateriei să ajungă atât de rece încât să întâmpine aceste probleme. Iar bateriile cu stare solidă de fapt ţintesc exact eliminarea acestei probleme prin înlocuirea electrolitului lichid sau gel cu unul solid din start, care să fie imun la frig.

Foto: Construcţia generală a unei baterii cu stare solidă

E o mare problemă aici să creezi o asemenea membrană solidă cu rol de electrolit, care să permită şi migrarea masivă a electronilor când e nevoie, să asigure proprietăţi corecte de electrolit şi totodată să-şi menţină aceste proprietăţi neschimbate şi la temperaturi coborâte, şi la căldură.

Foto: Separator ceramic cu rol de electrolit într-o baterie cu stare solidă

Dar lucrurile se mişcă rapid aici şi există deja multe soluţii de baterii solide despre care am vorbit în ultimele luni. Cele mai avansate au fost testate câte 1.000 cicluri şi mai mult, echivalentul a 500.000 km, şi indică o lipsă aproape totală a formării dendritelor şi deci a pierderii capacităţilor, iar odată cu asta şi calităţi bune la temperaturi joase. Există baterii cu stare solidă care înlocuiesc electrolitul, dar lasă litiul şi alte materiale obişnuite în electrozi, dar există şi exemplul bateriei celor de la Northvolt, care a înlocuit toate metalele rare precum litiul şi cobaltul cu sodiul şi substanţe răspândite.

Foto: Bateria Northvolt cu stare solidă, fără litiu şi cobalt în componenţa sa, dezvoltată în Suedia

Ei bine, partea curioasă e că echipa de ingineri din China, despre care vorbim azi, n-a luat-o pe calea stării solide a bateriilor, ci a căutat o soluţie diferită pentru a crea un electrolit tot lichid. Deci vorbim în esenţă de aceeaşi construcţie a unei baterii litiu-ion normale, dar cu electrolit de compoziţie diferită, care a determinat şi un comportament total diferit al bateriei la temperaturi joase. Noua baterie poate fi încărcată fast charge la -80 grade Celsius, aproape cu aceeaşi putere ca şi la temperaturi mai sus de zero! În acest interval uriaşe de până la -80 grade, puterea de încărcare variază în limite moderate, astfel că se poate garanta funcţionarea în limita parametrilor din fişa tehnică până la asemenea temperaturi de -80 Celsius.

Foto: Grafice avansate ale testelor cu noua baterie până la -80 grade Celsius, publicate de inginerii chinezi

Şi asta i-a făcut pe chinezi să spună că bateria lor are un viitor strălucit atât în lumea auto, cât şi în domeniul camioanelor şi utilajelor de explorare din condiţii polare! Cu o asemenea rezistenţă, teoretic se poate circula şi până la Polul Nord sau Polul Sud, sau în cele mai friguroase locuri ale Siberiei, unde temperaturile ajung până la -70 grade!

Ei bine, în ce constă secretul electrolitului dezvoltat de chinezi? Inginerii şi-au publicat lucrarea ce prezintă detalii ştiinţifice despre elaborarea lor în renumita revistă Nature şi specifică acolo că electrolitul e un solvent pe bază de fluoracetonitril, cu formula chimică FCH₂CN. Acesta e dizolvat cu sare de litiu, iar combinaţia obţinută s-a dovedit a fi extraordinar de stabilă la temperaturi joase şi la puteri mari de încărcare. Electrolitul obţinut are o constantă dielectrică înaltă şi o vâscozitate redusă, adică asigură o permeabilitate excelentă pentru migrarea electronilor.

Totuşi, fluoracetonitrilul este un compus foarte inflamabil şi asta poate fi un impediment pentru adoptarea lui pe larg, întrucât cu toate izolările şi precauţiile posibile, dacă o baterie cu acest electrolit ar ajunge să fie supraîncălzită, există un risc mai mare de urmări nedorite. De asemenea, punctul de topire al fluoracetonitrilului e de -13 grade, mai jos de atât el transformându-se în substanţă solidă. Sarea de litiu e cea care e menită să coboare temperatura de solidificare, însă până la -80 grade e distanţă lungă şi inginerii încă nu explică foarte clar cum arată proprietăţile fizice la această temperatură. Spun, însă, că la temperaturi foarte joase moleculele acestui electrolit au creat un efect cunoscut ca transport de canal ligand, când moleculele se aranjează într-un soi de canal conglomerându-se într-o circumferinţă, dar lăsând permeabilitate pe centrul lor. Acest efect neaşteptat ar şi cheia care permite acestei baterii să funcţioneze la temperaturi atât de mici, spune echipa de ingineri din China.

Odată având lucrarea anunţată şi publicată, ea va fi analizată de alţi colegi de-ai lor, după care se va recurge la teste suplimentare, iar dacă aceste calităţi de confirmă, inginerii vor primi cu siguranţă fonduri uriaşe şi de la universitatea chineză şi de la stat, pentru a pregăti prototipuri mari şi a pune la punct eventual şi producţia. Apropo, e curios că celulele bateriei au o formă de pachet flexibil, ca şi la unele din cele cu stare solidă.

E cu siguranţă o elaborare inginerească interesantă, dar care mai trebuie să treacă nişte validări de teste. E greu de spus dacă această tehnologie ar fi o alternativă mai bună pentru bateria cu stare solidă. Dar din datele disponibile acum pentru analiză, tehnologia bateriilor cu stare solidă pare mult mai promiţătoare, mai stabilă şi mai matură deja, spre producţia realistă de serie cu beneficii similare.