Szybkie ładowanie samochodów elektrycznych od lat pozostaje jednym z największych wyzwań branży bateryjnej. Im krótszy czas ładowania, tym zwykle większe ryzyko przegrzewania ogniw, utraty pojemności i szybszego zużycia akumulatora. Teraz jednak naukowcy z Uniwersytetu w Adelajdzie twierdzą, że znaleźli sposób na obejście tego problemu.
Zespół kierowany przez profesora Shi-Zhang Qiao opracował w Australii nowe ogniwo litowo-jonowe, które można naładować do 85 proc. w zaledwie sześć minut. Co ważne, bateria zachowała przy tym wysoką gęstość energii na poziomie 240,4 Wh/kg oraz nie ulegała gwałtownej degradacji nawet po setkach cykli.
Badania prowadzono we współpracy z Imperial College London, a wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Nature Energy.
Dlaczego szybkie ładowanie niszczy baterie?
Problem szybkiego ładowania wynika przede wszystkim z tego, że nowoczesne akumulatory o dużej pojemności — szczególnie te wykorzystujące anody krzemowe lub litowe — bardzo źle znoszą ekstremalnie szybki przepływ energii.
Wysoka moc ładowania powoduje wzrost temperatury wewnątrz ogniwa, co przyspiesza degradację materiałów i może prowadzić do problemów z bezpieczeństwem. Dlatego producenci samochodów elektrycznych od lat balansują między szybkością ładowania a żywotnością baterii.
Profesor Qiao podkreśla, że osiągnięcie ponad 90 proc. naładowania w mniej niż 10 minut bez utraty pojemności i trwałości ogniwa było dotąd niezwykle trudnym zadaniem.
Zamiast zmieniać elektrolit, naukowcy zmienili powierzchnię elektrody
Większość dotychczasowych eksperymentów skupiała się na modyfikacji elektrolitu, czyli środowiska, w którym przemieszczają się jony litu. Problem w tym, że zmiana parametrów elektrolitu wpływa na działanie całego ogniwa i często pogarsza inne właściwości baterii.
Australijski zespół obrał inną drogę. Naukowcy skoncentrowali się wyłącznie na powierzchni elektrody. Wykorzystali tzw. wakancje siarkowe jako katalityczne miejsca przyciągające określone aniony podczas ładowania.
Dzięki temu na powierzchni ogniwa tworzy się bardzo cienka ochronna warstwa bogata w fluorek litu. Warstwa ta stabilizuje proces ładowania i jednocześnie umożliwia szybki transport jonów litu.
Według badaczy takie podejście pozwala zachować wysoką przewodność jonową bez negatywnego wpływu na cały układ chemiczny baterii.
500 ekstremalnych cykli ładowania i nadal 76 proc. pojemności
Najbardziej imponujące są jednak wyniki długoterminowych testów. Ogniwa przeszły 500 kolejnych cykli sześciominutowego ładowania, zachowując około 76 proc. pierwotnej pojemności.
Dodatkowo przy 10-minutowym ładowaniu bateria osiągała nawet 91,4 proc. naładowania, przy średniej sprawności kulombowskiej wynoszącej 99,94 proc. Oznacza to, że niemal cała energia trafiająca do ogniwa mogła zostać później odzyskana.
Elektryki mogą ładować się niemal jak tankowanie paliwa
Jeśli technologia uda się przenieść z laboratorium do masowej produkcji, może to być jeden z największych przełomów dla rynku samochodów elektrycznych od lat.
Dziś nawet najbardziej zaawansowane auta potrzebują zwykle od kilkunastu do kilkudziesięciu minut na szybkie ładowanie. Skrócenie tego czasu do kilku minut mogłoby całkowicie zmienić sposób korzystania z elektryków i zlikwidować jeden z najczęściej wskazywanych problemów przez kierowców.
Naukowcy podkreślają jednak, że przed nimi jeszcze etap skalowania technologii i testów w rzeczywistych warunkach eksploatacji.
Foto: DepositPhotos.