Toyota vyvinula metodu pozorování vlastností iontů lithia v elektrolytu

• Toyota je první na světě, kdo metodu pozorování vlastností iontů lithia v elektrolytu, vynalezl
• Jde o zásadní objev, který pomůže prodloužit životnost baterií i dojezd vozidel používajících lithium-iontové baterie

Společnost Toyota Motor Corporation vyvinula jako první na světě¹ metodu pozorování vlastností iontů lithia v elektrolytu během dobíjení a vybíjení lithium-iontových baterií. Tento objev pomůže k prodloužení životnosti baterií a měl by vést i ke zvětšení dojezdové vzdálenosti vozů, jež tyto baterie využívají.

Díky uvedené metodě je možné v reálném čase sledovat vychylování lithných iontů, což je jedna z příčin degradace výkonu Li-ion baterií. Toyota věří, že výsledky významným způsobem posunou výzkum a vývoj zaměřený na zlepšování výkonových parametrů a odolnosti baterií, což by mělo přispět k delší životnosti baterií a prodloužení jízdního dosahu hybridních vozů s technologií Plug-in (PHV) a elektromobilů (EV).

Baterie typu Li-ion využívají oxidy kovu na katodách, materiál na bázi uhlíku na anodách a dále organický elektrolyt. Při dobíjení proudí lithné ionty v elektrolytu směrem od katody k anodě, resp. od anody ke katodě během vybíjení, kdy vzniká využitelný elektrický proud. Ionty lithia tak během dobíjení a vybíjení baterie hrají v elektrolytu zásadní roli.

Obr. 1 Konstrukce a princip fungování Li-Ion baterií pro automobily

Je známo, že u elektrod a elektrolytu dochází v důsledku nabíjení a vybíjení k vychylování lithných iontů, což je pravděpodobnou příčinou omezující oblast využitelnosti baterií. Jde zároveň o jeden z faktorů omezujících maximální využitelnost výkonových parametrů těchto baterií. Při zkoumání mechanizmu vychylování lithných iontů však za použití stávajících metod nebylo možné potvrdit vlastnosti těchto iontů v elektrolytu ve shodném prostředí a za stejných podmínek, jako při praktickém použití v souvisejících produktech.

Obr. 2 Podmínky během vybíjení

Uvedeme si dva klíčové principy metody pozorování, kterou Toyota k vyřešení tohoto problému vyvinula:
(1) Zařízení Toyota Beamline² v generátoru synchrotronového záření SPring-8³ (jenž je zdrojem nejvýkonnějšího synchrotronového záření na světě) produkuje velmi silné rentgenové paprsky, které jsou přibližně miliardkrát silnější než paprsky používané běžnými rentgeny. Díky tomu lze dosáhnout vysokého rozlišení 0,65 mikrometru/pixel při měření vysokou frekvencí 100 ms/snímek.
(2) Namísto elektrolytu s fosforem, používaným v mnoha typech Li-iontových baterií, se zde používá nový elektrolyt s těžkými prvky, jenž nahrazuje ionty fosforu, na které se váží lithné ionty při průchodu elektrolytem s ionty obsahujícími těžké prvky. Těžké prvky propouštějí rentgenové paprsky hůře než fosfor, a tak stíny na snímcích pořízených po průchodu rentgenových paprsků jsou tmavší. Sledováním chování těžkých prvků je možné monitorovat způsob vychylování lithných iontů, které se na ně váží v elektrolytu.

Obr. 3 Nově vyvinutá metoda pozorování

S využitím výše popsané metody na baterii, která je podobná jako ve skutečných produktech s vícevrstvou strukturou baterie – v podobném prostředí a za podmínek podobných reálnému provozu – je možné v reálném čase pozorovat vychylování lithných iontů v elektrolytu během nabíjení a vybíjení baterie. Uvedená metoda pozorování pochází ze společného vývoje firem Toyota Central R&D Labs, Inc., Nippon Soken, Inc. a čtyř univerzit⁴.

Obr. 4 Vychylování lithných iontů v elektrolytu během vybíjení baterie

Toyota se nyní zaměří na pozorování vlastnosti lithných iontů v důsledku rozdílů v materiálech a struktuře katod, anod a elektrolytů, resp. různých způsobů energetického managementu baterie. Analýzy mechanizmů způsobujících degradaci výkonnostních parametrů baterií posunou aktivity výzkumu a vývoje směřující ke zlepšování výkonu a odolnosti baterií, tedy i k delší životnosti baterií a prodloužení jízdního dosahu vozů, které je využívají.

¹Metody pozorování vrstvených článků za použití vysoce intenzivních rentgenových paprsků a těžkých prvků v elektrolytu (podle Toyota Motor Corporation, srpen 2016)
²Instalace jednoúčelového systému přenosu svazku od Toyota Central R&D Labs, Inc. ve spolupráci s institutem RIKEN (Institute of Physical and Chemical Research) a japonským výzkumným institutem JASRI (Japan Synchrotron Radiation Research Institute).
³Zkušební a výzkumné zařízení s celosvětově nejvýkonnějším generátorem synchrotronového záření, provozované institutem RIKEN jakožto vlastníkem zařízení. Provoz a údržbu zajišťuje japonský výzkumný institut JASRI (Japan Synchrotron Radiation Research Institute). SPring-8 je zkratka pro „Super Photon ring-8 GeV“.
⁴Hokkaido University, Tohoku University, Kyoto University a Ritsumeikan University.