Ponad 1000 cykli z anodą bogatą w krzem. O trwałości decyduje też docisk
Fraunhofer ISEOgniwa litowo-jonowe z anodami bogatymi w krzem przeszły we Fraunhofer ISE ponad 1000 pełnych cykli ładowania i rozładowania, zachowując ponad 83% początkowej pojemności. Wynik uzyskano przy docisku mechanicznym 1000 kPa. Badanie pokazuje również, dlaczego sam procent zachowanej pojemności nie wystarcza do oceny możliwości ogniwa.
Krzem pozwala zwiększyć ilość energii magazynowanej w ogniwach, ale jego zastosowanie utrudniają duże zmiany objętości tego materiału podczas ładowania i rozładowania. Wywołują one naprężenia w strukturze elektrody, co obniża jej trwałość. Dlatego w rozwoju takich ogniw liczy się połączenie wysokiej energii właściwej z dużą trwałością cykliczną. W projekcie „StrOboBatt” naukowcy sprawdzili zarówno trwałość ogniw, jak i wpływ docisku mechanicznego na ich parametry.
Budowa ogniw: krzem w anodzie, nikiel w katodzie
Zespół Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (Fraunhofer ISE) wykonał 40-warstwowe ogniwa typu pouch, czyli w miękkiej obudowie foliowej, o pojemności 25 Ah. Do ich budowy wykorzystano dostępne komercyjnie folie elektrodowe. Anoda zawierała kompozyt krzemowo-węglowy i grafit, natomiast katoda – wysokoniklowy tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC).
Udział kompozytu krzemowo-węglowego w materiale aktywnym anody wynosił 51%. Nie jest to jednak zawartość samego krzemu. Pojemność właściwa anody przekraczała 1000 mAh/g, a pojemność powierzchniowa – 5 mAh/cm2. Ogniwa wykonano na półautomatycznej linii produkcyjnej instytutu. Służą one jako ogniwa referencyjne do porównywania materiałów, wariantów budowy oraz warunków pracy.
Energia właściwa: 280 Wh/kg w pomiarach, 330 Wh/kg w prognozie
W badawczym formacie PrecISE uzyskano energię właściwą 280 Wh/kg. Parametr ten określa ilość energii przypadającą na kilogram masy ogniwa. Dla przemysłowo zoptymalizowanego formatu pouch instytut przewiduje energię właściwą około 330 Wh/kg. Ta wartość jest jednak szacunkiem, a nie wynikiem pomiaru opisanych ogniw.
Obie wartości odnoszą się do pojedynczego ogniwa referencyjnego, a nie do kompletnego akumulatora trakcyjnego. Nie pozwalają więc bezpośrednio określić jego masy ani zasięgu samochodu i nie są deklaracją parametrów produktu seryjnego.
Docisk mechaniczny a utrata pojemności ogniw
Oprócz trwałości cyklicznej zespół zbadał wpływ docisku mechanicznego. Ogniwa testowano przy docisku osiowym 300 kPa i 1000 kPa (ok. 3 i 10 bar). W standardowych cyklach ogniwa ładowano i rozładowywano prądem 1C, czyli 25 A. Oznaczenie 1C opisuje prąd o natężeniu liczbowo równym pojemności ogniwa – teoretycznie pełne ładowanie lub rozładowanie trwa wtedy godzinę.
Według instytutu docisk poprawia kontakt elektryczny na styku materiałów w elektrodzie i ogranicza ryzyko delaminacji, czyli odspajania się składników elektrody od siebie oraz od kolektora prądu. Ma to szczególne znaczenie w anodach z krzemem, które podczas pracy zmieniają objętość.
Przy docisku 1000 kPa ogniwa po ponad 1000 pełnych cykli zachowały ponad 83% początkowej pojemności – wyznaczonej w pomiarach kontrolnych przy mniejszym prądzie. Pod dociskiem 300 kPa spadek pojemności użytkowej był wyraźnie większy, szczególnie podczas pracy prądem 1C. Wyniki wskazują, że trwałość zależy również od warunków mechanicznych, w jakich pracuje ogniwo.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Pojemność zachowana a użytkowa: liczą się warunki pomiaru
Regularne próby starzeniowe uzupełniano cyklami kontrolnymi przy mniejszym natężeniu prądu. Z czasem narastała różnica między pojemnością wyznaczaną w takich pomiarach a pojemnością dostępną podczas standardowych cykli prądem 1C. Wynik „ponad 83% początkowej pojemności” nie oznacza więc, że taka sama część pojemności jest dostępna przy większym obciążeniu.
Dla branży serwisowej płynie z tego istotny wniosek: podając procent zachowanej pojemności (np. jako wskaźnik SoH – State of Health), trzeba określić warunki pomiaru, zwłaszcza natężenie prądu. W opisanym badaniu pomiary przy mniejszym prądzie wskazywały wyższą pojemność niż ta dostępna w standardowych cyklach. Sam wynik procentowy nie wystarczał więc do oceny możliwości ogniwa pod obciążeniem.
Testy Fraunhofer ISE świadczą o postępie w trwałości ogniw z anodami bogatymi w krzem. Ich wyniki należy jednak rozpatrywać z uwzględnieniem docisku mechanicznego i natężenia prądu podczas pomiarów pojemności. Dopiero te informacje, wraz z liczbą wykonanych cykli, pozwalają ocenić uzyskany rezultat i jego znaczenie dla dalszego rozwoju akumulatorów trakcyjnych.
Źródło informacji: Fraunhofer ISE
