Čínští vědci Yongyao Xia a Yonggang Wang se při vývoji nového typu Li-Ion baterií zaměřili na optimalizaci teplotní stability, speciálně pak v nízkých teplotách, která je u klasických baterií problém.
Takřka každý den vědci zveřejňují nové objevy v oblasti různých druhů baterií a zlepšování jejich vlastností. Typicky se jedná o kapacitu, rychlosti nabíjení nebo třeba i hmotnost a velikost. Velmi důležitou vlastností je ale i provozní teplota, protože dokáže poměrně výrazně ovlivnit samotné chování baterie jak z pohledu kapacity, tak i následné výdrže. I kdybyste měli skvělou vysokokapacitní baterii, jakmile s ní v zimě vyjdete ven, její funkčnost se dokáže rapidně omezit.
Noci jsou chladné
Většina dnešních baterií, které jsou používané v běžné elektronice (Li-Ion), má optimalizovaný provoz pro pokojové teploty v oblasti 20 stupňů Celsia. Jakmile ale teplota stoupne příliš vysoko nad tuto hranici nebo naopak klesne třeba pod hranici bodu mrazu, začínají nastávat velké problémy.
Většina modelů baterií totiž už při teplotách -20 stupňů Celsia ztrácí polovinu své kapacity, takže i když vyjdete do takto mrazivého dne s plně nabitou baterií, velmi rychle může nastat chvíle, že uvidíte rapidní procentuální pokles zbývají energie baterie a v nejhorším případě se vám telefon i rovnou vypne.
V případě mrazů kolem -40 stupňů Celsia, které se rovněž vyskytují poměrně běžně na mnoha místech naší planety, může kapacita běžných baterií poklesnout i na hodnotu kolem 12 % původní kapacity.
To je problém například u elektromobilů, které zažívají rozmach. Jejich baterie jsou rovněž typu Li-Ion a trpí tak nízkými teplotami. Pokud by taková baterie přes noc zamrzla, místo 500 kilometrů byste byli rádi, že ujedete třeba jen 50 kilometrů i na „plně nabitou“ baterii. Například Tesla to řeší speciálním vodním chlazením, které je integrované přímo v baterii a udržuje teplotu jednotlivých článků na stabilnější teplotě. K tomu ale potřebuje elektrickou energii, takže konkrétně u zaparkovaných vypnutých elektromobilů Tesla dochází každý den k vyčerpání přibližně 5 % kapacity baterie, záleží na teplotních podmínkách.
Inovace v elektrolytu i elektrodách
Li-Ion baterie jsou v základu vytvořené z elektrod (negativní anoda a pozitivní katoda), mezi kterými se přenáší ionty v rámci elektrolytu ve směru podle toho, jestli nabíjíte, nebo naopak čerpáte energii. Při nízkých teplotách dochází ke špatné vodivosti a přenosu energie v rámci všech těchto částí, což ve výsledku znamená právě sníženou kapacitu.
Průběh nabíjení a vybíjení, výkon při pokojové teplotě
Vědci proto pro elektrolyt použili organickou sloučeninu Ethylacetát, která zamrzá až u velmi nízkých teplot a v případě elektrod rovněž použili organické složky (anoda – polymid 1,4,5,8-naphthalenetetracarboxylic dianhydrid, katoda - polytriphenylamine. Tento systém už nespoléhá ne techniku opětovného ukládání iontů do mřížky, což je proces, který je ovlivňován nízkými teplotami v běžně používaných materiálech.
Porovnání schopností baterie při teplotě až -70C
Baterie vyrobená na tomto principu dokáže fungovat bez větších problémů i při teplotách -70 stupňů Celsia, takže přežije i ty nejkrutější mrazy na Zemi. Kapacita zůstane zachována při této teplotě na hranici kolem 70 % původní kapacity.
Je potřeba ladit
Jak už to ale bývá, vynikající vlastnosti na jedné straně znamenají něco horšího na druhé straně. V tomto případě vědci musí vyřešit především hustotu uložení energie, která je oproti moderním Li-Ion baterií v případě tohoto prototypu velmi nízká a byla by tak neefektivní jako náhrada, kterou je možné začít rovnou vyrábět ve velkém.
Baterie jsou zkrátka nekonečný boj a stále je co vylepšovat a optimalizovat, k čemuž dochází plynule neustále. I když to možná nevnímáme, tak samotná kapacita baterií se stejnými vlastnostmi zlepšuje každý rok o přibližně 5 % až 10 %.
Odolnost vůči chladu je přitom důležitá nejen pro budoucí elektromobily, které budou určené pro chladnější podmínky, ale také třeba pro vesmírné nasazení, kde se teploty mohou blížit k k absolutní nule (-273,15 stupňů Celsia).
