Krzemowe ogniwa od Fraunhofer ISE ze świetną trwałością. Ponad 83% pojemności po 1 000 cykli

Naukowcy z niemieckiego instytutu Fraunhofer ISE osiągnęli warte uwagi rezultaty w rozwoju ogniw litowo-jonowych nowej generacji. Ich autorskie ogniwa typu pouch z anodami o wysokiej zawartości krzemu zachowały ponad 83% pierwotnej pojemności po ponad 1 000 pełnych cyklach ładowania i rozładowania. Wynik ten uzyskano przy gęstości energii na poziomie grawimetrycznym wynoszącej 280 Wh/kg.

51% krzemu w anodzie i rola nacisku mechanicznego

40-warstwowe ogniwa o pojemności 25 Ah wyprodukowano na półautomatycznej linii w centrum badawczym w Fryburgu. W konstrukcji wykorzystano anodę kompozytową (krzem-węgiel/grafit), w której kompozyt krzemowo-węglowy stanowił aż 51% aktywnego materiału. Całość połączono z niklową katodą NMC. Anody osiągnęły pojemność właściwą przekraczającą 1 000 mAh/g.

istotnym wnioskiem z badań jest jednak bezpośrednia zależność trwałości ogniw od ciśnienia mechanicznego. Badacze testowali ogniwa przy dwóch wartościach nacisku osiowego – 300 kPa oraz 1 000 kPa (przy ładowaniu prądem 1C):

• Wynik 83% zachowanej pojemności po 1 000 cykli dotyczy wyłącznie ogniw poddanych wyższemu ściskowi (1 000 kPa).
• Przy niższym nacisku (300 kPa) zauważono znacznie szybszy spadek użytecznej pojemności.

Jak podkreśla Marc Kissling z Fraunhofer ISE, odpowiedni nacisk mechaniczny na obudowę typu pouch jest bezwzględnym warunkiem stabilnej pracy chemii bogatej w krzem.

Sprawdź też nasz poradnik doboru magazynów energii.

Odchodzenie od chińskiego grafitu i perspektywy rynkowe

Teoretyczna pojemność właściwa krzemu jest dziesięciokrotnie wyższa niż tradycyjnego grafitu. Zastąpienie go kompozytami krzemowo-węglowymi pozwala nie tylko zwiększyć gęstość energii, ale także ograniczyć globalną zależność Europy od dostaw azjatyckiego grafitu naturalnego i syntetycznego.

Prace prowadzono w ramach dofinansowanego kwotą 2,6 mln euro projektu StrOboBatt. Naukowcy szacują, że zoptymalizowana komercyjnie wersja ogniwa pozwoli osiągnąć gęstość energii rzędu 330 Wh/kg. Jako główne obszary zastosowań dla nowej technologii wskazuje się stacjonarne magazyny energii bilansujące farmy wiatrowe i fotowoltaiczne, e-mobility oraz sektor lotniczy.