Ερευνητές του γερμανικού ινστιτούτου Fraunhofer ISE αναφέρουν ότι οι κυψέλες τύπου pouch που ανέπτυξαν εσωτερικά, με άνοδο πλούσια σε πυρίτιο, διατήρησαν πάνω από το 83% της χωρητικότητάς τους μετά από περισσότερους από 1.000 πλήρεις κύκλους, αλλά μόνο υπό υψηλή μηχανική πίεση
Το Fraunhofer ISE ανακοίνωσε ότι υπέβαλε σε περισσότερους από 1.000 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης κυψέλες τύπου pouch χωρητικότητας 25 Ah, με ανόδους πλούσιες σε πυρίτιο, οι οποίες διατήρησαν πάνω από το 83% της αρχικής χωρητικότητάς τους, με βαρυμετρική ενεργειακή πυκνότητα σε επίπεδο κυψέλης 280 Wh/kg.
Οι κυψέλες, αποτελούμενες από 40 στρώματα, κατασκευάστηκαν σε ημιαυτόματη γραμμή παραγωγής στον καθαρό χώρο του Κέντρου Αποθήκευσης Ηλεκτρικής Ενέργειας του ινστιτούτου στο Freiburg της Γερμανίας, με τη χρήση εμπορικά διαθέσιμων φύλλων ηλεκτροδίων.
Συνδυάζουν άνοδο από σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα/γραφίτη με κάθοδο πλούσια σε νικέλιο, από νικέλιο-μαγγάνιο-κοβάλτιο (NMC). Το σύνθετο υλικό πυριτίου-άνθρακα αποτελούσε το 51% του ενεργού υλικού της ανόδου, ενώ οι άνοδοι πέτυχαν ειδική χωρητικότητα άνω των 1.000 mAh/g και επιφανειακή χωρητικότητα άνω των 5 mAh/cm².
«Η διάρκεια ζωής σε κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης αποτελεί ένα από τα βασικά εμπόδια για την ευρεία βιομηχανική αξιοποίηση των ανόδων πλούσιων σε πυρίτιο», δήλωσε ο Lukas Dold, επικεφαλής της ομάδας τεχνολογίας υλικών μπαταριών και κλιμάκωσης παραγωγής στο Fraunhofer ISE.
«Η επίτευξη περισσότερων από 1.000 κύκλων με διατήρηση τουλάχιστον του 80% της χωρητικότητας θεωρείται σημαντικός στόχος επιδόσεων στον συγκεκριμένο τομέα».
Η ενεργειακή πυκνότητα των 280 Wh/kg σε επίπεδο κυψέλης επιτεύχθηκε με τη μη βελτιστοποιημένη μορφή ερευνητικής κυψέλης PrecISE του ινστιτούτου.
Σύμφωνα με τον Dold, εκτιμάται ότι μια βιομηχανικά βελτιστοποιημένη μορφή κυψέλης τύπου pouch θα μπορεί να φτάσει περίπου τα 330 Wh/kg.
Εξάρτηση από την πίεση
Οι ερευνητές υπέβαλαν τις κυψέλες σε κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης με ρυθμό 1C, υπό δύο διαφορετικές αξονικές πιέσεις επαφής: 300 kPa και 1.000 kPa.
Το ποσοστό διατήρησης της χωρητικότητας άνω του 83% αφορά τις κυψέλες που διατηρήθηκαν υπό πίεση 1.000 kPa.
«Σε χαμηλότερη πίεση επαφής, 300 kPa, παρατηρείται σημαντικά μεγαλύτερη μείωση της αξιοποιήσιμης χωρητικότητας με την πάροδο του χρόνου, ιδιαίτερα κατά τη λειτουργία με ρυθμό 1C», δήλωσε ο Marc Kissling, επικεφαλής της ομάδας παραγωγής κυψελών μπαταριών και αξιολόγησης τεχνολογίας.
«Επομένως, η μηχανική πίεση της κυψέλης αποτελεί σημαντική παράμετρο για τη σταθερή λειτουργία των κυψελών τύπου pouch με ανόδους πλούσιες σε πυρίτιο».
Το Fraunhofer ISE δεν δημοσίευσε ποσοστό διατήρησης της χωρητικότητας για τις κυψέλες που λειτουργούσαν υπό πίεση 300 kPa. Ανέφερε επίσης ότι, καθώς οι κυψέλες γερνούσαν, η χωρητικότητα που μετριόταν κατά τους περιοδικούς ελέγχους με χαμηλούς ρυθμούς εκφόρτισης αποκλίνει ολοένα και περισσότερο από τη χωρητικότητα που ήταν διαθέσιμη κατά την κανονική λειτουργία με ρυθμό 1C.
Το ινστιτούτο επισήμανε ότι, κατά την αξιολόγηση κυψελών πλούσιων σε πυρίτιο, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη οι επιδόσεις υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, παράλληλα με τη διατήρηση της χωρητικότητας.
Η θεωρητική ειδική χωρητικότητα του πυριτίου είναι δεκαπλάσια εκείνης του γραφίτη. Το Fraunhofer ISE ανέφερε ότι τα σύνθετα υλικά πυριτίου-άνθρακα θα μπορούσαν να μειώσουν την παγκόσμια εξάρτηση από τον γραφίτη και να μετατοπίσουν προς την ΕΕ τη δημιουργία προστιθέμενης αξίας από τις πρώτες ύλες.
Επικεφαλής του έργου StrOboBatt είναι η PCC Thorion, σε συνεργασία με το Fraunhofer ISE και την Glatt Ingenieurtechnik, ενώ μεταξύ των εταίρων περιλαμβάνονται οι LG Chem Europe, E-Lyte Innovations και UniverCell Holding.
Το έργο έλαβε ομοσπονδιακή χρηματοδότηση ύψους 2,6 εκατ. ευρώ και έχει προγραμματιστεί να διαρκέσει τρία χρόνια, σύμφωνα με την PCC κατά την έναρξή του το 2024. Οι εταίροι ανέφεραν ως εφαρμογές-στόχους τη σταθερή αποθήκευση της πλεονάζουσας ηλιακής και αιολικής ενέργειας, καθώς και την ηλεκτροκίνηση και την αεροδιαστημική.
Άλλοι κατασκευαστές ανόδων πυριτίου-άνθρακα προχωρούν επίσης προς την εμπορική παραγωγή. Τον Ιούλιο, ο Αυστραλιανός Οργανισμός Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ARENA) χορήγησε χρηματοδότηση ύψους έως 45 εκατ. αυστραλιανών δολαρίων (31,6 εκατ. δολαρίων ΗΠΑ) στην Sicona, η οποία υποστηρίζεται από τη Himadri, για μια μονάδα επίδειξης εμπορικής κλίμακας στον χώρο της BlueScope Steel στο Port Kembla, στη Νέα Νότια Ουαλία.
Σύμφωνα με την ARENA, το υλικό της Sicona θα μπορούσε να αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου έως και κατά 20% και να επιτρέψει φόρτιση έως και 40% ταχύτερη σε σύγκριση με τις συμβατικές ανόδους γραφίτη.
www.worldenergynews.gr
