O echipă de ingineri din Germania a surprins pentru prima dată mişcarea electronilor într-o baterie Li-S şi a explicat problemele şi potenţialul acestei tehnologii

Săptămâna trecută scriam despre faptul că producătorul suedez de baterii Northvolt a fost salvat, graţie tranzacţiei prin care toate fabricile sale din Europa şi tehnologiile au fost cumpărate de compania americană Lyten, după ce tot ea cumpărase câteva săptămâni mai devreme prim fabrică Northvolt din Polonia, destinată producţiei bateriilor mari pentru centrale de reţea. Spuneam că ideea celor de la Lyten e să continue şi iniţiativele Northvolt, dar şi să plaseze în producţia de serie bateriile Li-S, întrucât Lyten şi-a făcut imaginea unui start-up convins că această tehnologie poate fi cheia unor performanţe şi mai mari decât obişnuitele baterii litiu-ion. Ei bine, partea cea mai curioasă e că Lyten e într-adevăr compania cea mai avansată în această tehnologie, dar încă nu produce aceste baterii în serie, ce doar în partide limitate de test. Deci, tehnologia e la o fază de cercetare, elaborare şi teste, nu una de serie, iar asta înseamnă că mai există fie impedimente, fie nevoie unor teste care să demonstreze înlăturarea acestor impedimente. Acum o echipă de ingineri din Germania, de la Helmholtz-Zentrum Berlin, a surprins pentru prima dată imagini veridice cu mişcarea electronilor şi starea electroliţilor în bateriile Li-S, şi a explicat problemele şi potenţialul acestei tehnologii.

Ce sunt bateriile Li-S, de fapt, ce de ce ar fi ele o alternativă notabilă pentru bateriile litiu-ion NMC obişnuite sau LFP? Sunt baterii bazate pe litiu şi sulfuri, cu o construcţie de bază similară celor litiu-ion, dar cu materiale diferite folosite, şi datorită proprietăţilor acestor materiale, se invocă o densitate energetică teoretică excepţional de bună, de până la 700 Wh/kg. Deci, pentru a stoca 70 kWh, o cantitate de energie suficientă pentru o maşină electrică de talie medie actuală, celulele bateriei ar trebui să cântărească doar 100 kg, la care s-ar mai adăuga poate încă 100 kg în carcasă şi răcire şi la final bateria maşinii ar fi oricum cu câteva sute de kilograme mai uşoară decât una actuală.

Prima diferenţă mare e că în anodul bateriilor Li-S nu se foloseşte grafitul sau compoziţii de silicon şi carbon, ci litiul metalic, aproape pur. În rol de anod serveşte efectiv o folie de litiu metalic, iar această concentraţie de circa 99,9% de litiu e cel mai important element care le garantează densitatea energetică atât de mare.

Catodul e format preponderent de sulfură, sau octasulfură S8, dacă e sa fim mai exacţi, ea fiind şi cea mai răspândită formă a sulfurii. Acest material e încadrat într-o structură matricială formată din negru de fum (o pulbere formată din carbon amorf), grafen şi/sau alte structuri poroase de carbon. Sulfurile captează ionii de litiu în procesul descărcării bateriei, formând polisulfizi de litiu.

Electrolitul e de obicei unul lichid, exact ca la bateriile obişnuite litiu-ion NMC, dar niţel optimizat în compoziţie.

Problema e că sulfura e un izolator electric, iar carbonul trebuie adăugat pentru a-i asigura conductivitatea. De asemenea, în mod normal în procesul de încărcare şi descărcare sulfura din catod îşi schimbă volumul cu până la 80%, deci aceste celule ar trebui să aibă rezerve de volum pentru a se putea extinde, sau să contracareze acest efect. Iar un efect chimic nedorit al polisulfizilor de litiu e predispoziţia lor de a se dizolva în electrolit şi apoi de a se depune pe anod, formând o variaţie de dendrite şi aducând astfel o degradare accelerată. Odată ce acest material iese din circuitul util, capacitatea scade, iar prezenţa lui pe anod înrăutăţeşte conductivitatea şi scade şi puterea maximă pe care o poate furniza bateria.

Anume acest efect de dizolvare şi risc de degradare rapidă a împiedicat până acum răspândirea pe larg a bateriilor Li-S.

Cei de la Lyten, dacă tot pretind că sunt cei mai avansaţi, trebuiau să fi rezolvat o mare parte din aceste provocări. În primul rând, aceştia aplică un strat de protecţie pe folia de litiu din anod, care ar trebui să ajute la evitarea prinderii sulfurilor de el şi să extindă durata de viaţă de câteva ori. La catod, cei de la Lyten spun că folosesc un grafen patentat de ei, combinat cu sulfură, într-o structură pe care ei o numesc „Sulfur Caging”, sau „distribuţie în cuşti”, dacă ar fi să traducem direct. De fapt, e aceeaşi structură matricială menţionată mai sus, doar că e rafinată pentru a menţine mai bine suflura şi a nu admite dizolvarea ei în electrolit. Iar electrolitul Lyten e relativ uzual, din câte se poate deduce din patentele lor, având sare de litiu, LiNo3 şi un solvent.

Foto: Construcţia bateriilor Li-S Lyten

Cei de la Lyten spun că au şi celule cilindrice, şi prismatice, şi le-au furnizat deja module pentru teste unor producători auto. Totuşi, în noiembrie 2023 chiar NASA a testat bateriile Lyten şi a constatat date îngrijorătoare — la acea etapă bateriile aveau doar 255 Wh/kg în densitate energetică la celulele cilindrice, similar celor actuale litiu-ion, şi 320 Wh/kg la cele prismatice, iar toate celulele testate au rezistat cel mult 110 cicluri înainte de a ceda complet. E o durată de viaţă foarte scurtă, deci. Chiar dacă o maşină electrică ar încărca o dată la doar 400 km în mediu, la 44.000 km bateria ar ceda complet, cu o degradare accelerată până atunci. Fireşte, Lyten a declarat că de atunci şi până în prezent a îmbunătăţit lucrurile.

Ei bine, acum, înţelegând mai mult tehnologia bateriilor Li-S, putem înţelege impactul a ceea ce a făcut echipa de ingineri din Germania. Ei au folosit tomografia cu neutroni pentru a surprinde mişcarea reală a electronilor în procesul de încărcare şi descărcare a bateriilor Li-S, arătând totodată şi cum are loc formarea problemelor de conductivitate în electrolit.

Ca să obţină o densitate energetică mare, multe din aceste baterii minimizează cantitatea de electrolit, însă experimentul german a arătat că electrolitul formează goluri sub acţiunea electronilor, iar astfel bateria operează la putere redusă şi astfel e mai predispusă spre degradare. S-a putut vedea cum are loc şi înfiltrarea în electrozi. Dar s-a observat totodată că la folosire intensă şi constantă, materialele din baterie tind să se omogenizeze şi să-şi îmbunătăţească performanţa.

Foto: Captură din imaginile surprinse de echipa de ingineri din Germania

S-au observat că aceste goluri pot apărea şi dispărea sub acţiunea variaţiei diferitor factori. E pentru prima dată când s-au putut vedea toate aceste efecte pe viu, iar asta a dat informaţii excepţional de preţioase în a înţelege aceste probleme şi impedimente din bateriile Li-S, pentru a le putea rezolva. Toate aceste concluzii ale echipei de ingineri din Germania vor putea fi utilizate de multe alte echipe din lume, inclusiv de cei de la Lyten, pentru a se putea perfecţiona construcţia acestor baterii Li-S şi la o maturitate suficientă pentru producţia de serie.

De ce ar vrea industria să aibă aceste baterii? În primul rând datorită densităţii lor mai mari, dacă ea va putea fi apropiată de cea teoretică — ceea ce le face atractive şi pentru maşini, şi pentru avioane. În al doilea rând, pentru că litiul e folosit, dar nu şi nichel, cobalt sau mangan, deci ar fi mai puţină dependenţă de materiale mai rare. Litiul se găseşte deja şi în SUA, şi în Europa, ia sulfurile sunt răspândite peste tot.

Totuşi, toată această elaborare de acum a echipei de ingineri din Germania e un duş puternic cu apă rece pentru tehnologia litiu-ion şi ne face să ne întrebăm, din nou, cât de sigur e viitorul Northvolt salvat, dacă noul proprietar e o companie care încă nu şi-a definitivat propria tehnologie şi propria producţie de serie mare a bateriilor? Ultimul raport al unor teste ale bateriilor Lyten venea de la MIT şi stipula 300 cicluri rezistenţă pentru aceste baterii Li-S ale Lyten. E mai decât a testat NASA aproape 2 ani în urmă, dar încă e departe de viabilitatea unui produs care să fie dorit pe maşini electrice sau avioane. Lyten anunţă e la o maturitate mai avansată, dar aceste lucruri ar trebui să fie confirmate şi de terţe părţi pentru a putea spune că şi tehnologia e matură, şi viitorul Northvolt e în mâini sigure.