Ulepszone akumulatory litowo-jonowe w pojazdach elektrycznych

Akumulatory litowo-jonowe stają się niezastąpionym źródłem zasilania coraz mniejszych przenośnych urządzeń elektronicznych. Ze względu na zdecydowaną przewagę nad innymi typami akumulatorów – na przykład większą gęstość magazynowania energii – sprawdzają się również w wielu nowych zastosowaniach poza głównym obszarem technologii, w tym między innymi w pojazdach hybrydowych i elektrycznych. Producenci pojazdów liczą na to, że ulepszona pod względem wydajności, kosztów, bezpieczeństwa, możliwości recyklingu, trwałości i masy technologia akumulatorów doprowadzi do dalszego zwiększenia zasięgu pojazdów elektrycznych i obniżenia kosztów, co ostatecznie sprawi, że takie pojazdy staną się bardziej atrakcyjne dla klientów. Finansowany przez UE projekt SPICY miał na celu opracowanie wydajniejszego, tańszego, bezpieczniejszego, lżejszego, trwalszego i bardziej przyjaznego środowisku akumulatora litowo-jonowego, który zaspokoiłby potrzeby kierowców pojazdów elektrycznych. Projekt dotyczył procesów produkcyjnych oraz całego łańcucha wartości dla materiałów wykorzystywanych do produkcji akumulatorów litowo-jonowych. „Opracowanie nowych receptur chemicznych i architektur ogniw akumulatorów litowo-jonowych jest jedynym sposobem na zwiększenie pojemności ogniw i gęstości energii, które zwiększają autonomię pojazdów elektrycznych”, tłumaczy kierownik projektu Willy Porcher. Nowe materiały Powstałe w ramach inicjatywy innowacje dotyczyły opracowania nowych materiałów aktywnych i stabilnych elektrolitów, wykorzystania bardziej przyjaznego dla środowiska rozpuszczalnika w ramach procesu produkcji, a także oceny nowych i zoptymalizowanych architektur ogniw i opakowań z wykorzystaniem koncepcji ekologicznego projektowania. W celu ich wykorzystania w roli anody, poprawiono gęstość energii materiałów fosforanowych, począwszy od litowo-żelazowo-fosforanowych LiFePO4. Pomimo że jest to bezpieczny i trwały materiał do zastosowania w katodach, jego gęstość energii jest niska ze względu na potencjał elektrochemiczny żelaza. Wykorzystując metale przejściowe o wyższym potencjale niż żelazo, naukowcy z powodzeniem zwiększyli wydajność elektrochemiczną i gęstość energetyczną materiału. Elektrolity o szerokim oknie elektrochemicznym zostały przebadane z użyciem sulfolanu i adiponitrylu –obie substancje poprawiły wydajność cyklu. Naukowcy wykazali również, że proces wodny produkcji katod ułatwia recykling, umożliwiając odzysk ponad 50 % akumulatora. Zespół badał również nowe materiały do wykorzystania w produkcji anod, w tym kompozyt krzemowo-grafitowy oraz stop krzemu z germanem. Krzem został wyprodukowany za pomocą nowych procesów syntezy nanocząsteczek i struktur rdzeniowych w celu poprawy stabilności cząstek. Dodanie soli litowo-imidowych do elektrolitów okazało się korzystne dla stabilności cyklu ogniwa litowo-jonowego, tworząc bardziej stabilne połączenie między elektrolitem a elektrodami. W ramach projektu SPICY zbadano cztery różne architektury ogniw, a także wyprodukowano lekkie modułowe opakowanie kompozytowe oraz wytrzymałe złącze zasilania, które nie wykazuje dodatkowego oporu. „Te tak zwane formowane połączone urządzenia wraz z kompozytowymi opakowaniami ogniw umożliwiają stworzenie bardzo małych systemów przy wyższym poziomie bezpieczeństwa, mniejszej objętości i niższych kosztach”, zauważa Porcher. Tanie i wydajne akumulatory Przeprowadzona w ramach projektu ocena cyklu życia i analiza kosztów pomogły w opracowaniu najlepszych wariantów produkcji akumulatorów litowo-jonowych nowej generacji dla pojazdów elektrycznych w Europie. „Próbując zminimalizować wpływ akumulatorów na środowisko naturalne doszliśmy do wniosku, że najlepiej jest skupić się na poprawie gęstości energii zamiast poszukiwać materiałów o najmniejszym wpływie na środowisko”, mówi Porcher. Dzięki zastosowaniu tańszych materiałów i inteligentnej konstrukcji ogniw, ogólnym celem projektu było obniżenie kosztów produkcji akumulatorów o 20 % i zwiększenie ich wydajności o 20 %. Poprzez optymalizację kosztów i wykorzystanie zasad ekologicznego projektowania multidyscyplinarna współpraca obejmująca partnerów przemysłowych i akademickich oraz ośrodki badawcze powinna pomóc w stworzeniu silnej bazy przemysłowej dla europejskich producentów akumulatorów i umożliwić im wejście na światowe rynki. Źródło: CORDIS