Istraživački tim na Institutu Paul Scherrer PSI razvio je novi održivi proces koji se može koristiti za poboljšanje elektrohemijskih performansi litijum-jonskih baterija. Inicijalni testovi ovako modifikovanih visokonaponskih baterija su bili uspešni. Ovaj metod bi mogao da se koristi da bi litijum-jonske baterije, na primer za električna vozila, bile znatno efikasnije.
Litijum-jonske baterije se smatraju ključnom tehnologijom za dekarbonizaciju. Stoga, istraživači širom sveta rade na tome da kontinuirano poboljšavaju svoje performanse, na primer, povećavajući svoju gustinu energije. „Jedan od načina da se to postigne je povećanje radnog napona“, kaže Mario El Kazzi iz Centra za energetiku i nauke o životnoj sredini na Institutu Paul Scherrer PSI. „Ako se napon povećava, povećava se i gustina energije.
Međutim, postoji problem: pri radnim naponima iznad 4,3 volta, na prelazu između katode, pozitivnog pola i elektrolita, provodnog medijuma, odvijaju se jaki hemijski i elektrohemijski procesi degradacije.
Površina katodnih materijala biva ozbiljno oštećena oslobađanjem kiseonika, rastvaranjem prelaznih metala i strukturnom rekonstrukcijom — što zauzvrat dovodi do kontinuiranog povećanja otpora ćelija i smanjenja kapaciteta. Zbog toga su komercijalne baterijske ćelije, poput onih koje se koriste u električnim automobilima, do sada radile samo na maksimalno 4,3 volta.
Da bi rešili ovaj problem, El Kazzi i njegov tim su razvili novu metodu za stabilizaciju površine katode tako što su je premazali tankim, uniformnim zaštitnim slojem. Istraživači izveštavaju o svom otkriću u studiji objavljenoj u časopisu ChemSusChem.
Proces se usredsređuje na gas koji se proizvodi kao nusproizvod tokom proizvodnje plastike kao što su PTFE, PVDF i pena: trifluorometan, sa hemijskom formulom CHF 3 . U laboratoriji, El Kazzi i njegov tim pokrenuli su reakciju na 300°C između CHF 3 i tankog sloja litijum karbonata koji pokriva površinu katoda. Ovo pretvara litijum na interfejsu u litijum fluorid (LiF).
Važno je napomenuti da atomi litijuma materijala katode ostaju kao joni, odnosno kao pozitivno naelektrisane čestice. Ovi litijum joni moraju biti u stanju da se kreću napred-nazad između katode i anode, negativnog pola, tokom punjenja i pražnjenja, tako da se kapacitet baterije ne smanji tokom naknadnog rada.
U daljem koraku, istraživači su testirali efikasnost zaštitnog premaza vršeći elektrohemijska ispitivanja na visokim radnim naponima. Zadovoljavajući rezultat: zaštitni premaz je ostao stabilan čak i pri visokim naponima. Toliko dobro štiti materijal katode da je moguće raditi na naponima od 4,5 pa čak i 4,8 volti.
U poređenju sa baterijama sa nezaštićenim katodama, obložene baterije su se pokazale znatno bolje po svim važnim parametrima. Na primer, impedansa, odnosno otpor litijum jona na interfejsu katode, bila je oko 30% niža nakon 100 ciklusa punjenja i pražnjenja nego kod baterija sa neobrađenim katodama. „Ovo je jasan znak da naš zaštitni sloj minimizira povećanje otpora uzrokovano međufaznim reakcijama do kojih bi inače došlo“, objašnjava El Kazzi.
Takođe je upoređeno zadržavanje kapaciteta. Ovo predstavlja broj litijum jona koji još uvek mogu da migriraju sa katode na anodu nakon određenog broja ciklusa punjenja i pražnjenja. Što je ova vrednost bliža 100%, to je manji pad kapaciteta. I ovde se baterija sa obloženom katodom pokazala superiornom u testovima: zadržavanje kapaciteta je bilo više od 94% nakon 100 ciklusa punjenja i pražnjenja bez smanjenja brzine punjenja, dok je neobrađena baterija postigla samo 80%.
Proces premazivanja razvijen u PSI otvara nove načine za povećanje gustine energije različitih tipova baterija. „Možemo pretpostaviti da je naš zaštitni premaz litijum fluorida univerzalan i da se može koristiti sa većinom katodnih materijala“, naglašava El Kazzi. „Na primer, radi i sa visokonaponskim baterijama bogatim niklom i litijumom.
Još jedan važan aspekt novog procesa je da je trifluorometan veoma moćan gas staklene bašte i više od 10.000 puta štetniji po klimu od ugljen-dioksida, zbog čega se nikada ne bi smeo ispuštati u atmosferu.
Za El Kazzija, njegovo pretvaranje u uniforman tanak LiF zaštitni sloj na površini katodnih materijala je efikasno rešenje za monetizaciju gasa tako što ga čini delom kružne ekonomije. Sa novim procesom premazivanja, CHF 3 se može reciklirati i dugotrajno vezati kao zaštitni sloj u visokonaponskim katodama.
