O echipă de ingineri din Germania a descoperit că bateriile pot fi de 100 ori mai puternice dacă au anod lichid şi electrolit solid

În ultimii ani, tehnologiile bateriilor folosite de maşinile electrice au evoluat enorm de mult, mai ales în puterea pe care o pot accepta la încărcare şi descărcare, dar şi la densitatea energetică. Au avansat şi parametrii bateriilor mai simple, precum cele LFP şi litiu-ion NMC, dar totodată există deja şi bateriile cu stare semisolidă cu parametri avansaţi, iar cele cu stare solidă promit de ceva timp să fie foarte aproape de un mare salt tehnologic. Totuşi, o echipă de ingineri germani, de la Institutul Federal de Cercetare şi Testare a Materialelor (BAM), anunţă o descoperire remarcabilă, prin care aceştia au constatat că bateriile pot fi de 100 ori mai puternice, dacă au anod lichid şi electrolit solid.

Inginerii german au pornit cercetarea lor de la premisa că tehnologiile actuale litiu-ion sunt foarte aproape de a ajunge la limitările lor fizice. Anozii acestor baterii, compuşi de obicei din grafit, pot stoca un număr limitat de ioni, şi deci de electricitate.

Într-o baterie litiu-ion NMC, anodul, adică electrodul negativ, e compus de obicei din grafit, iar catodul, adică electrodul pozitiv, e compus din oxizi de litiu, care mai are în compoziţia sa oxid de nichel, mangan şi cobalt la bateriile NMC, sau litiu fier fosfat la bateriile LFP. Anodul şi catodul sunt separaţi de un electrolit între ei, de obicei lichid, care e format din sare de litiu şi un amestec de solvenţi precum carbonatul de etilenă, carbonatul de dimetil, sau altele similare şi aditivi precum carbonatul de vinilen şi carbonatul de fluoroetilen. Rolul acestui acestor aditivi e să asigure o stabilitate cât mai bună la variaţii de temperatură, iar rolul compuşilor de bază e să asigure izolarea anodului de cadou, în timp ce oferă totodată o permeabilitate cât mai bună la trecerea ionilor dintr-un electrod în altul.

La încărcarea bateriei, ionii de litiu migrează dinspre catodul care-i conţine spre anod, unde aceştia sunt intercalaţi în structura de grafit şi sunt stocaţi acolo, dacă e să vorbim în termeni un pic mai simplificaţi. La descărcare, aceeaşi atomi de litiu migrează înapoi din anod spre catod, creând sarcină electrică. Întrucât toţi aceşti ion trec prin electrolitul separator, rolul acestuia e uriaş în performanţa bateriei — cu cât mai mare e permeabilitatea lui, cu atât mai mulţi ion vor putea trece prin el într-o unitate de timp şi astfel bateria devine mai puternică în puterea electrică pe care o poate genera. Cu cât mai mare e stabilitatea sa structurală la temperaturi joase sau ridicate, cu atât mai stabil va fi fluxul de ioni ce poate trece prin electrolit, iar asta înseamnă că puterea bateriilor nu va scădea prea mult în condiţii de ger, spre exemplu.

Atunci când această putere scade, se întâmplă pentru că acel electrolit lichid devine mai vâscos la temperaturi foarte joase şi astfel e mult mai puţin permeabil, respectiv mai puţini ion pot trece prin el într-o unitate de timp. Iar dacă se insistă cu un flux mare de ioni, atunci o parte din ei vor rămâne suspendaţi în structura electrolitului şi vor forma depuneri în timp, numite dendrite. Aceste depuneri reduc permanent permeabilitatea electrolitului, deci bateria îşi pierde din putea sa maximă de care e capabilă, şi totodată acei ioni de litiu, care rămân blocaţi în electrolit, ies din circuitul normal de încărcare şi descărcare, lăsând mai puţini ioni activi, ceea ce înseamnă că se reduce capacitatea de stocare a bateriei, în ceea ce numim de obicei degradare a bateriei.

Foto: Electrolit lichid cu dendrite depuse pe el

Tocmai pentru a evita aceste efecte, o mulţime de echipe de ingineri din lume lucrează la bateriile cu stare solidă, care ar avea electroliţi solizi, iar odată ce un material e solid la temperatura normală de operare, la temperaturi joase el rămâne solid şi nu-şi afectează performanţa.

Foto: Electrolit solid, realizat pe bază ceramică

Marea problemă a bateriilor cu stare solidă e asigurarea unui material e textură corectă, care să asigure şi izolarea, şi structura corectă ca să permită un flux mare de ioni dintr-o parte în alta. Bateriile cu stare solidă care există acum în producţie, precum cele de pe autobuzele e-Citaro de la Mercedes, oferă permeabilitate mai mică decât cele litiu-ion şi LFP, deci se încărcă mai încet. Însă cei care dezvoltă baterii cu stare solidă în ultimii ani declară că puterile atinse de ei ajung la valori mult mai mari, şi totuşi încă nu le-au pus în producţia de serie. Iar start-up-ul StoreDot, care dezvolta asemenea baterii cu stare solidă, a renunţat la ele, trecând la alte compoziţii. Însă există şi exemple pozitive, precum QuantumScape, care au furnizat deja bateriile lor pentru teste producătorilor auto, dar şi Factorial, bateriile cu stare solidă ale cărora sau testate de Mercedes şi Stellantis. Însă e la fel de adevărat că în cazul Stellantis, parametrii bateriilor cu stare solidă care au ajuns în teste nu mai sunt impresionanţi nici la putere nici la densitate energetică şi capacitate de stocare.

Iar capacitatea de stocare a unei baterii depinde de cât de mulţi ioni de litiu poate stoca în anod, în acel grafit. E drept că unii dezvoltatori de baterii cu stare solidă experimentează şi ideea de a înlocui grafitul în anod cu compoziţi de silicon sau chiar cu litiul curat. Inginerii germani despre care vorbim azi spune tocmai asta — că grafitul folosit azi pentru anozii bateriilor litiu-ion a ajuns la limita performanţei sale şi densitatea energetică nu mai poate urca. Capacitatea de stocare poate creştere doar dacă se pune mai mult grafit, deci se optează pentru baterii mai mari. Însă tot ei spun că anodul care ar conţine litiu are şansa de a mări densitatea energetică mult, cu peste 40%. O creştere similară o poate avea şi folosirea de sodiu în anod, care e mult mai ieftin şi mai disponibil în toată lumea. Însă germanii amintesc că, pentru bateriile ce conţin litiu sau sodiu în anod pot opera doar cu electrolit solid, deci, aparent calea de dezvoltare e doar spre bateriile cu stare solidă.

Totuşi, ei spun că aceste baterii cu stare solidă, cu electrolit solid, au o problemă despre care se ştie doar în mediile academice şi inginereşti a celor ce lucrează la ele. Electrolitul solid poate genera goluri de contact între el şi anod, ceea ce scade drastic performanţa până la ieşirea de funcţiune a acelei celule. Practic, vibraţiile tipice exploatării oricărei maşini ar putea favoriza apariţia unor mici goluri şi pierderi de contact şi atunci bateria devine defectă. Electroliţii lichizi nu au problema asta, pentru că lichidul uşor presurizat va umple întotdeauna toate spaţiile disponibile şi va asigura conexiunile necesare.

Foto: Structura schematică a unei baterii cu stare solidă

Aşa că echipa de ingineri a întors lucrurile cu susul în jos şi a gândit invers — ce-ar fi dacă electrolitul ar fi solid, pentru a beneficia de avantajele acestui şi a unei altei compoziţii în anod, dar anodul ar fi lichid, şi prin proprietăţile fizice de lichid ar elimina problema pierderilor de contact şi golurilor? Au creat un anod lichid, format din metale alcaline, pe care l-au combinat cu un electrolit solid, realizat dintr-un material numit NASICON, descifrat drept conductor super ionic de natriu (numit şi sodiu). Electrolitul are o conductivitate bună mai ales pentru ionii de natriu, şi astfel ar fi perfect pentru baterii cu stare solidă de tip sodiu-ion.

Poză simbol

Astfel, inginerii germani au creat o baterie cu electrolit solid pe bază de NASICON şi anod lichid, pe bază de metale alcaline. Nu e o baterie cu stare solidă în deplinul sens al cuvântului, pentru că, deşi electrolitul e solid, anodul nu mai e solid, ci lichid. Însă au rezolvat astfel problema descrisă mai sus la bateriile cu stare solidă. Şi cel mai fascinant rezultat obţinut în experimente e că noua baterie s-a dovedit a fi de 100 ori mai puternică şi respectiv mai capabilă de stocare, în comparaţie cu bateriile cu anod convenţional, din grafit! E un salt uriaş, atunci când o nouă baterie poate asigura de 100 ori mai multă putere sau capacitate. E ca şi cum o baterie actuală care are 80 kWh capacitate şi poate livra până la 350 kW putere ar deveni brusc capabilă să livreze o putere de 35 MW şi ar putea stoca 8.000 kWh în ea, sau 8 MWh!

Totul pare prea frumos şi optimist? Ei bine, trebuia să există şi o piedică, şi ea există. Deocamdată, bateria minune funcţionează astfel doar la temperatura de 250 grade Celsius, temperatură care permite starea lichidă a metalelor alcaline — or, sodiul devine lichid la 97,8 grade Celsius, iar litiul la 180,5 grade. Prin urmare, dacă ar fi să de producă exact în aceeaşi formă, această baterie ar fi aplicabilă mai degrabă în unele condiţii industriale, în apropiere de furnale generatoare de căldură, unde bateria ar putea să le stocheze electricitatea necesară. Dar inginerii spun că nu ăsta e scopul, ci aducerea acestor performanţe la temperaturi ambientale normale.

Pentru a atinge asta, echipa de ingineri a experimentat cu aditivi de potasiu în anod, pentru a coborî temperatura de topire a acelui amestec. Electroliţii solizi obişnuiţi nu sunt stabili la prezenţa potasiului, însă NASICON este, tocmai de asta germanii spun că acest electrolit e cheia ca această tehnologie să devină posibilă şi la temperaturi normale de operare.

Ei au încercat şi adăugarea de hafniu în anod, ceea ce a apropiat bateria de performanţele dorite la temperaturile dorite, dar hafniul e un material rar şi foarte scump. Acum echipa de ingineri e în căutarea compoziţiei perfecte pentru a avea acest anod lichid pe bază de metale alcaline şi potasiu.

Chimia ne sugerează că ar fi mai multe variante posibile — precum sodiul şi potasiul, care poate fi adus la un punct de topire de -12 grade Celsius, dar o asemenea baterie ar trebui încălzită activ la temperaturi mai joase, iarna. Mai există şi posibilitatea de a adăuga cesiul cu potasiu, această versiune fiind cea mai promiţătoare în parametrii finali, întrucât temperatura de topire poate fi adusă şi la -40 grade Celsius. Însă cesiul e foarte scump, deci n-ar fi o opţiune viabilă. Şi de aici încolo urmează munca inginerilor din Germania, în a identifica amestecul corect, care să fie compus din materiale cât mai răspândite şi mai ieftine, pentru a putea asigura parametrii finali ai bateriei la temperatură ambientală cât mai apropiaţi de cei ce care i-au putut testa la 250 grade Celsius.

Deşi pare încă departe de aplicabilitate, descoperirea de acum reprezintă o schimbare majoră de perspectivă şi o descoperire importantă, care cu siguranţă va impulsiona într-un fel sau altul evoluţia bateriilor. Chimia e atât de vastă în compuşii săi şi în calităţile care pot fi atinse, încât foarte curând ar putea fi găsită şi soluţia corectă de a putea asigura aceşti parametrii la temperaturi obişnuite. Iar când asta se va întâmpla, am putea vorbi în sfârşit de baterii care să fie mici, uşoare, şi să stocheze energie suficientă pentru mii de kilometri de autonomie.