O bezpieczeństwie baterii litowo‑jonowych, które napędzają elektryczne samochody i systemy magazynowania energii, coraz częściej przypominały tragiczne incydenty, takie jak pożar w centrum danych czy eksplozje baterii w pojazdach elektrycznych. Koreański Instytut Norm i Nauki (KRISS) opracował przełomową technologię, która może zrewolucjonizować ten rynek, przyspieszając wprowadzenie do powszechnego użytku baterii typu all-solid-state (ASSB) – kolejnej generacji baterii, które z założenia wyeliminują ryzyko pożaru i wybuchu. Wyniki badań zostały opublikowane w renomowanym czasopiśmie Materials Today.
Baterie litowo‑jonowe, choć wszechobecne, wykorzystują łatwopalne ciecze, co czyni je podatnymi na pożary, które są trudne do ugaszenia. Baterie typu ASSB rozwiązują ten problem, zastępując ciecz stałym elektrolitem, co fundamentalnie poprawia bezpieczeństwo urządzenia. Szczególną uwagę zwraca się na baterie oparte na tlenkach, które charakteryzują się wysoką gęstością energii i eliminują ryzyko uwolnienia toksycznych gazów, charakterystycznego problemu dla systemów opartych na siarczkach.
Dlaczego baterie all-solid-state są bezpieczniejsze?
Podstawową zasadą działania baterii typu ASSB jest zastąpienie niebezpiecznego, płynnego elektrolitu bezpiecznym i stałym odpowiednikiem. Oznacza to, że w przypadku uszkodzenia baterii nie dochodzi do wycieku łatwopalnych substancji i powstania pożaru. Systemy oparte na tlenkach oferują dodatkową korzyść – brak ryzyka uwolnienia toksycznych gazów, co jest problemem w niektórych alternatywnych rozwiązaniach.
Wyzwania w produkcji baterii opartych na tlenkach
Baterie oparte na tlenkach, a szczególnie wykorzystujące elektrolity w formie granatu, charakteryzują się wysoką przewodnością jonową i stabilnością chemiczną. Jednak ich produkcja wymaga wysokotemperaturowego spiekania, procesu, w którym proszek jest formowany w temperaturze przekraczającej 1000°C. Podczas tego procesu dochodzi do utraty litu, kluczowego składnika elektrolitu, co osłabia jego strukturę. Utrata litu wpływa na jakość materiału, zmniejszając przewodność jonową i zwiększając oporność na granicach faz, co negatywnie przekłada się na wydajność baterii.
Innowacyjne rozwiązanie koreańskich naukowców
Dotychczasowe metody zapobiegające utracie litu polegały na pokrywaniu membran elektrolitowych dużą ilością proszku "matki" – materiału litowo‑zawierającego. Niestety, metoda ta powoduje znaczne straty materiału, gdyż odrzuca się go w ilości wielokrotnie przekraczającej zużyty w procesie spiekania. Powoduje to wysokie koszty produkcji i utrudnia komercjalizację.
Kluczowym przełomem, dokonanym przez zespół KRISS, jest opracowanie techniki cienkiego pokrywania proszków elektrolitowych związkiem Li–Al–O (lit‑glin‑tlenek) o właściwościach wielofunkcyjnych. Ta warstwa pokrywająca nie tylko dostarcza litu podczas spiekania i zapobiega jego utracie, ale również wzmacnia wiązania między cząsteczkami, działając jak "spoiwo". Dzięki temu udało się uzyskać membranę elektrolitową o rekordowo wysokiej gęstości przekraczającej 98,2 % bez użycia drogich materiałów "matki". Ponadto poprawiono przewodność jonową ponad dwukrotnie, a przewodność elektryczną zmniejszono ponad dwudziestokrotnie, co minimalizuje ryzyko wewnętrznych wycieków prądu i zwiększa bezpieczeństwo oraz efektywność baterii. Co więcej, naukowcom udało się wyprodukować membranę o powierzchni 16 cm², co jest ponad dziesięciokrotnie większa niż standardowe próbki laboratoryjne, przy zachowaniu wysokiej wydajności na poziomie 99,9 %.
Wpływ na rynek i perspektywy na przyszłość
Według dr Baek Seung‑Wook, głównego naukowca w grupie badawczej KRISS, opracowane rozwiązanie "rozwiązuje długotrwałe problemy materiałowe i produkcyjne, które pozostawały nierozwiązane od ponad dwóch dekad w badaniach nad elektrolitami typu granatu". Zmniejszenie kosztów produkcji ma przyspieszyć komercjalizację baterii ASSB opartych na tlenkach i przyczynić się do innowacji w obszarze systemów magazynowania energii i pojazdów elektrycznych. Dr Kim Hwa‑Jung, badacz z KRISS, podkreśliła, że Korea jest obecnie całkowicie zależna od importu granulek elektrolitów granatowych, których koszt przekracza 550 USD za sztukę o średnicy zaledwie 1 cm. To przełomowe rozwiązanie otwiera drogę do krajowej produkcji materiałów przyszłych generacji.
Badania te prowadzone były we współpracy z zespołem profesora Park Hyeokjun z Wydziału Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Korei. Szczegółowe informacje na temat badań można znaleźć w publikacji w czasopiśmie Materials Today. Opracowanie to ma potencjał, by znacząco wpłynąć na rozwój technologii bateryjnych i bezpieczeństwo energetyczne na całym świecie, co może doprowadzić do obniżenia kosztów i zwiększenia dostępności baterii przyszłej generacji dla konsumentów.