750 Wh/kg w warunkach laboratoryjnych

Projekt prowadził zespół badaczy z Dalian Institute of Chemical Physics, należącego do Chińskiej Akademii Nauk. Opracowano pouch cell o pojemności 25 Ah przeznaczony do pracy jako bateria pierwotna, czyli bez założenia wielokrotnego ładowania.

Według przedstawionych wyników bateria osiągnęła:

  • ponad 750 Wh/kg przy niskim prądzie rozładowania,
  • 447 Wh/kg przy -40°C i rozładowaniu 1C,
  • 4487 W/kg mocy właściwej w temperaturze pokojowej,
  • możliwość ciągłego rozładowania z prądem 4C,
  • krótkotrwałe impulsy z prądem do 10C,
  • roczny poziom samorozładowania poniżej 1%.

W przypadku ogniwa 25 Ah oznacza to, że przy 1C teoretyczny czas rozładowania wynosi około jednej godziny, natomiast przy 10C pełna pojemność może zostać oddana w około sześć minut. W praktyce parametr 10C należy traktować jako zdolność do krótkotrwałego dostarczania wysokiego prądu, a nie jako normalny tryb pracy przez cały czas.

Wysoka entropia w katodzie

Kluczowym elementem konstrukcji jest nowy materiał katodowy oparty na tlenku o wysokiej entropii (high-entropy oxide, HEO). Materiały tego typu wykorzystują wiele różnych kationów metali w jednej strukturze krystalicznej. Ich właściwości można kształtować przez dobór składu chemicznego, a sama struktura może poprawiać stabilność oraz transport jonów.

To istotne w przypadku baterii litowo-metalowych, ponieważ połączenie bardzo wysokiej gęstości energii z dużą mocą wyjściową jest trudniejsze niż samo zwiększenie pojemności elektrochemicznej.

W tym projekcie materiał katodowy miał jednocześnie umożliwić pracę przy wysokich prądach i ograniczyć pogorszenie parametrów w niskiej temperaturze.

447 Wh/kg przy -40°C

Najciekawszy wynik uzyskano podczas testów temperaturowych. Przy -40°C bateria zachowała gęstość energii 447 Wh/kg przy rozładowaniu 1C.

Niska temperatura jest jednym z istotnych problemów elektrochemicznych źródeł energii. Spadek temperatury ogranicza szybkość transportu jonów i kinetykę reakcji elektrodowych, przez co rośnie opór wewnętrzny ogniwa i spada dostępna moc.

W tym przypadku utrzymanie kilkuset Wh/kg przy -40°C ma znaczenie przede wszystkim dla urządzeń, które muszą być przechowywane przez długi czas, a następnie uruchomione bez wcześniejszego ogrzewania ogniwa.

100-krotny wzrost szybkości rozładowania

Według wyników testów bateria może zwiększać szybkość rozładowania nawet 100-krotnie, przechodząc do krótkotrwałej pracy z prądem do 10C.

To ważna cecha baterii pierwotnej. Tego typu źródła energii są projektowane przede wszystkim pod kątem długiego przechowywania i wysokiej dostępnej energii, a nie wielokrotnego ładowania. Problemem może być natomiast szybkie dostarczenie dużej mocy.

Opracowane ogniwo ma łączyć oba parametry: wysoką energię zgromadzoną w masie ogniwa oraz możliwość gwałtownego zwiększenia mocy wyjściowej.

Zamiast ładowania – długa gotowość

Roczny poziom samorozładowania poniżej 1% oznacza, że bateria może przez długi czas pozostawać w stanie gotowości bez istotnej utraty zgromadzonej energii.

Taka charakterystyka jest szczególnie interesująca w zastosowaniach, w których dostęp do ładowania jest utrudniony albo nie ma go wcale. Wśród potencjalnych zastosowań wymienia się m.in.:

  • drony i roboty pracujące w niskich temperaturach,
  • urządzenia i czujniki terenowe,
  • systemy kosmiczne,
  • wyposażenie ratownicze,
  • autonomiczne systemy monitoringu,
  • urządzenia rozmieszczane w trudno dostępnych lokalizacjach.

Przeczytaj także: 68 tys. modułów przy rafinerii. Farma PV 42,2 MW ruszyła w Możejkach