Ogniwo z krzemem przeszło 1000 cykli i zachowało 83% pojemności. Ale tylko pod dociskiem 10 bar

Fraunhofer ISE w projekcie StrOboBatt przetestowało własnoręcznie wykonane ogniwo pouch 25 Ah z anodą bogatą w krzem. Po ponad 1000 pełnych cykli zachowało ponad 83% pojemności, czyli więcej niż próg 80%, który uznaje się za minimum do zastosowań komercyjnych. Jeśli wynik uda się przenieść do seryjnych baterii, auto o tej samej masie ogniw pojedzie dalej.

Krzem daje dużo, ale mocno pęcznieje

Krzem w anodzie pozwala uzyskać wyższą gęstość energii niż grafit. Problem w tym, że podczas ładowania pochłania jony litu i zwiększa objętość nawet o 300%, a przy rozładowaniu znów się kurczy. Grafit pracuje w zakresie 10-12%. Taki ruch rozrywa kontakt elektryczny w elektrodzie i przyspiesza rozkład elektrolitu, więc ogniwa z krzemem zwykle zbyt szybko się starzały.

Niemcy zastosowali kompozyt krzemowo-węglowy, który stanowi 51% materiału aktywnego anody. Połączyli go z katodą bogatą w nikiel, a całość wykonali na przemysłowej linii pilotażowej.

Docisk i moc ładowania zmieniają wynik

Decydujący okazał się mechaniczny docisk. Przy osiowym nacisku 1000 kPa (około 10 bar) podczas ładowania i rozładowania kontakt w elektrodzie pozostał stabilny. Przy 300 kPa (około 3 bar) użyteczna pojemność spadała wyraźnie szybciej. Z udostępnionych materiałów nie wynika, jak zapewnić taki docisk w pakiecie samochodowym ani ile to kosztuje w masie i konstrukcji.

Drugi wniosek z testów w dynamicznych, zbliżonych do jazdy warunkach: przy wysokiej mocy pojemność spada szybciej niż w łagodnych cyklach laboratoryjnych. Systemy zarządzania baterią w przyszłych autach będą musiały to uwzględniać.

280 Wh/kg zmierzone, 330 Wh/kg w planach

Testowane ogniwa osiągnęły 280 Wh/kg. Wartość 330 Wh/kg to szacunek Fraunhofer ISE dla zoptymalizowanej produkcji masowej, a nie wynik pomiaru. Według instytutu byłoby to o 20-35% więcej niż w dzisiejszych ogniwach NMC i NCA oraz prawie dwukrotnie więcej niż w LFP.

Instytut przelicza to na samochód. Przy tej samej masie baterii auto mogłoby mieć prawie 100 kWh zamiast obecnych około 75 kWh, a realny zasięg modelu średniej wielkości wzrósłby z około 450 km do ponad 600 km. To wyliczenie na podstawie gęstości energii, nie test w prawdziwym aucie.

Jest też wątek surowcowy. Grafit trafia dziś do Europy głównie z zewnątrz, a krzem można pozyskiwać i wytwarzać syntetycznie w regionie. Według instytutu pozwoliłoby to przenieść część wartości dodanej do Europy.

Na razie to pojedyncze ogniwo 25 Ah, a nie pakiet do samochodu. W materiałach nie ma terminu wdrożenia, kosztu ogniwa ani informacji o partnerze przemysłowym. Odpowiedź, czy docisk 10 bar da się pogodzić z konstrukcją baterii w aucie, dopiero przed nami.