Przełom w technologii stałych ogniw litowo-siarkowych

Przełom Fraunhofera w dziedzinie akumulatorów litowo-siarkowych

W tym tygodniu zespół z Fraunhofer Institute w Dreźnie przedstawił wyniki laboratoryjne nowej generacji akumulatora litowo-siarkowego (Li–S) ze stałym elektrolitem, który wprowadza gęstość energii w nowy zakres zastosowań transportowych. We wczesnych testach naukowcy raportują energię właściwą powyżej 600 watogodzin na kilogram – znacznie więcej niż w przypadku większości komercyjnych ogniw litowo-jonowych – i deklarują, że ich celem jest osiągnięcie około 550 Wh/kg w ogniwach komercyjnych przy kosztach poniżej około 86 USD za kilowatogodzinę. Ogłoszenie to wpisuje się w dwa skoordynowane projekty badawczo-rozwojowe finansowane na poziomie krajowym i europejskim, a grupa twierdzi, że połączenie materiałów i bezrozpuszczalnikowego procesu powlekania może sprawić, że technologia ta będzie kompatybilna z istniejącymi liniami produkcyjnymi akumulatorów.

Trwały problem chemiczny

Konstrukcje litowo-siarkowe od dawna wyglądają atrakcyjnie „na papierze”, ponieważ siarka jest powszechnie dostępna, tania i oferuje wysoką teoretyczną pojemność – w przybliżeniu dwukrotnie większą energię grawimetryczną niż typowe chemie katodowe litowo-jonowe. W praktyce jednak akumulatory Li–S miały trudności z przetrwaniem wielu cykli ładowania. Głównym winowajcą jest tak zwane „wahadło wielosiarczkowe” (polysulfide shuttle): pośrednie formy siarki rozpuszczają się w elektrolicie podczas pracy, migrują do anody i wywołują reakcje uboczne, które gwałtownie drenują pojemność i skracają żywotność. Konwencjonalne ogniwa wykorzystują płynne elektrolity, które ułatwiają to rozpuszczanie i migrację, dlatego stabilizacja materiałów aktywnych była przeszkodą nie do pokonania przez dekady badań nad Li–S.

Jak działa podejście Fraunhofera

Ten praktyczny szczegół ma znaczenie z dwóch powodów. Po pierwsze, stałe elektrolity stanowią fizyczną barierę, która może ograniczyć mobilność rozpuszczonych form siarki, zmniejszając spadek pojemności. Po drugie, przetwarzanie bezrozpuszczalnikowe zmniejsza zużycie energii w produkcji i emisję CO2 oraz – według zespołu – może zostać dostosowane do istniejących linii produkcyjnych litowo-jonowych, zamiast wymuszać kompletną przebudowę fabryki. Badania są rozwijane w ramach dwóch programów: niemieckiej inicjatywy krajowej o nazwie AnSiLiS oraz projektu europejskiego Horizon Europe o nazwie TALISSMAN; oba mają na celu przezwyciężenie barier Li–S w transporcie i przemyśle.

Co to może oznaczać dla pojazdów elektrycznych

Jeśli raportowane gęstości energii przetrwają skalowanie i testy w warunkach rzeczywistych, skutki dla elektromobilności będą znaczące. Wyższa energia grawimetryczna pozwala projektantom albo zwiększyć zasięg jazdy przy danej masie pojazdu, albo zmniejszyć wagę akumulatora przy zachowaniu stałego zasięgu. Lżejsze pojazdy przyspieszają wydajniej, mniej obciążają zawieszenie i opony w dłuższej perspektywie i mogą ładować się szybciej, ponieważ jest mniej masy do uzupełnienia. W kategoriach praktycznych, ogniwa w przedziale 500–600 Wh/kg na poziomie pakietu mogłyby pozwolić na budowę samochodów osobowych o zasięgu znacznie przewyższającym obecne modele średniej klasy, przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania na surowce na kilometr.

Istnieją również zalety środowiskowe i związane z łańcuchem dostaw. Siarka jest produktem ubocznym rafinacji paliw kopalnych i jest o rzędy wielkości bardziej obfita niż kobalt, nikiel czy inne metale akumulatorowe. Przejście na katody o wysokiej zawartości siarki zmniejszyłoby zależność od rzadkich surowców krytycznych i potencjalnie obniżyło koszty. Zespół Fraunhofera wskazuje również na proces DRYtraec, który ogranicza energię produkcji i emisję CO2 o około 30% w porównaniu z konwencjonalnymi metodami powlekania na mokro – co jest wczesnym sygnałem, że przyszłość Li–S może być również bardziej ekologiczna w skali przemysłowej.

Produkcja, emisje i koszty

Jednym z atrakcyjnych twierdzeń z prac w Dreźnie jest kompatybilność z obecną infrastrukturą produkcyjną litowo-jonową. Procesy, które można wdrożyć w istniejących zakładach, są przyjazne dla przemysłu: fabryki można by dostosować szybciej i przy niższych nakładach inwestycyjnych niż budując całkowicie nowe linie oparte na egzotycznych procesach. Naukowcy wyznaczyli wyraźny cel komercyjny – około 550 Wh/kg przy kosztach poniżej 86 USD/kWh – co, jeśli zostanie osiągnięte, byłoby konkurencyjne na rynku samochodów elektrycznych (EV), gdzie koszt za kilowatogodzinę pozostaje kluczowym wskaźnikiem dla nabywców.

Niższe koszty ogniw i lżejsze systemy razem obniżyłyby całkowity koszt posiadania dla nabywców EV i złagodziłyby niektóre naciski na infrastrukturę ładowania, ponieważ lżejsze samochody przyspieszają i zwalniają wydajniej, a zatem pobierają mniej mocy szczytowej podczas cykli jazdy. Niemniej jednak droga z laboratorium na linię montażową jest również drogą od idealizowanej wydajności do trudnych realiów uzysku, kontroli jakości i długoterminowej trwałości.

Przeszkody: cykle, skalowanie i bezpieczeństwo

Dane dotyczące energii właściwej z laboratorium są ważnym kamieniem milowym, ale to nie wszystko. Wczesne wyniki rzadko uwzględniają straty inżynieryjne na poziomie pakietu, charakterystykę ładowania przy dużym natężeniu prądu czy żywotność kalendarzową w warunkach wahań temperatury w motoryzacji. Ogniwa Li–S muszą również radzić sobie z naprężeniami mechanicznymi: siarka zmienia objętość podczas reakcji, a same stałe elektrolity muszą zachować kontakt jonowy mimo rozszerzania i kurczenia się. Rezystancja interfejsu między stałym elektrolitem a elektrodami może również ograniczać dostarczanie mocy.

Bezpieczeństwo to kolejny obszar wymagający wyczerpujących testów. Stałe elektrolity są często reklamowane jako z natury bezpieczniejsze niż łatwopalne elektrolity ciekłe, ale każdy nowy materiał i geometria stosu wprowadzają nowe tryby awarii. Certyfikacja motoryzacyjna wymaga tysięcy godzin przyspieszonych cykli, testów przebicia, niekontrolowanego wzrostu temperatury (thermal runaway) i testów zderzeniowych, zanim chemia akumulatora będzie mogła zostać powierzona milionom pojazdów drogowych.

Finansowanie, harmonogramy i kolejne kroki

Grupa Fraunhofera rozwija prace w ramach finansowanych konsorcjów badawczych: niemieckiego programu krajowego (AnSiLiS) i europejskiego projektu Horizon Europe (TALISSMAN). Ramy te są wyraźnie ukierunkowane na przełożenie chemii laboratoryjnej na demonstratory i produkcję pilotażową. Zespół twierdzi, że pełne prototypy są spodziewane w nadchodzących latach; komercyjne skalowanie będzie zależeć od tego, czy ogniwa zdołają osiągnąć wymaganą żywotność cykliczną, wskaźniki bezpieczeństwa i uzysk produkcyjny, pozostając w proponowanym budżecie kosztowym.

Nie jest to wysiłek jednego laboratorium. Przyjęcie przez przemysł będzie wymagało od producentów akumulatorów, producentów samochodów i dostawców sprzętu walidacji materiałów w skali przemysłowej, dostosowania linii powlekania elektrod tam, gdzie to konieczne, i zbudowania pilotażowych pakietów do testów pojazdów. Organy regulacyjne będą również musiały ocenić długoterminowy profil bezpieczeństwa. Jeśli te warunki zostaną spełnione w ciągu najbliższych kilku lat, ogniwa Li–S ze stałym elektrolitem mogą stać się całkowicie nową opcją w zestawie narzędzi EV – uzupełniając stopniowe ulepszenia w technologii litowo-jonowej i rosnące zainteresowanie innymi chemiami.

Na razie wiadomości z Drezna to krok techniczny naprzód, a nie gotowy produkt. Ożywiają one dawną obietnicę – wysoką energię siarki na kilogram – z nowoczesnym podejściem do przetwarzania. Prawdziwym testem będzie długowieczność i wykonalność produkcji: czy ogniwa nadal będą działać po tysiącach kilometrów, wielokrotnym szybkim ładowaniu i rzeczywistym stresie związanym z upałem i zimnem. Jeśli tak się stanie, zarówno producenci samochodów, jak i nabywcy odczują praktyczny wpływ; do tego czasu ogłoszenie to jest zachęcającym, starannie uwarunkowanym punktem orientacyjnym na długiej, kosztownej drodze do wdrożenia w motoryzacji.

Źródła

• Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology (Fraunhofer IWS), Dresden (badania nad ogniwami litowo-siarkowymi ze stałym elektrolitem i procesem DRYtraec)
• Projekt AnSiLiS (niemiecka federalna inicjatywa badawcza)*
• TALISSMAN (projekt badawczy Horizon Europe)
• DRYtraec bezrozpuszczalnikowa metoda produkcji powłok (Fraunhofer IWS)