Nowe odkrycie Toyoty pozwoli zwiększyć zasięg samochodów elektrycznych

Toyota Motor Corporation opracowała pierwszą w świecie metodę obserwacji zachowania jonów litu w elektrolicie podczas ładowania i rozładowania akumulatorów litowo-jonowych.

Technika ta umożliwia obserwowanie w czasie rzeczywistym procesu zmian jonów litu, który jest jedną z przyczyn pogarszania się parametrów akumulatorów litowo-jonowych. Toyota uważa, iż uzyskane w ten sposób informacje przyczynią się do opracowania akumulatorów o lepszych parametrach eksploatacyjnych i większej trwałości, co pozwoli zwiększyć zasięg samochodów hybrydowych typu plug-in (PHV) i elektrycznych (EV).

Akumulatory litowo-jonowe wyposażone są w katodę z tlenku metalu, węglową anodę i organiczny elektrolit. Podczas ładowania akumulatora jony litu przemieszczają się w elektrolicie z katody do anody, a podczas rozładowywania z anody do katody, co jest związane z przepływem prądu. W związku z tym przemieszczanie się jonów litu odgrywa kluczową rolę podczas ładowania i rozładowywania akumulatora.

Struktura i zasada działania samochodowego akumulatora litowo-jonowego

Od dawna wiadomo, że ładowaniu i rozładowywaniu akumulatora towarzyszy proces zamian jonów litu w elektrodach i elektrolicie, która jest uważana za czynnik ograniczający obszar zastosowania akumulatorów oraz zakres, w którym uzyskiwane są ich maksymalne parametry. Jednak badanie procesu zmian jonów litu, potwierdzające ich zachowanie w środowisku i warunkach takich, jakie panują w akumulatorach, nie było możliwe przy użyciu dotychczasowych metod.

Sytuacja podczas rozładowywania

Nową metodę obserwacji opracowaną przez Toyotę wyróżniają dwie główne cechy:

- Stanowisko Toyoty w zakładzie synchrotronu SPring-8 udostępnia promieniowanie synchrotronowe o najwyższych w świecie parametrach, ok. miliarda razy silniejsze od wytwarzanego przez aparaturę rentgenowską. Umożliwia to uzyskiwanie rozdzielczości 0,65 mikrometra na piksel i czasu 100 milisekund na klatkę obrazu.

- Zamiast elektrolitu fosforowego, używanego w wielu akumulatorach litowo-jonowych, zastosowano nowy elektrolit z pierwiastkami ciężkimi, zastępując w ten sposób jony zawierające fosfor, które wiążą lit podczas jego przemieszczania się w elektrolicie, jonami zawierającymi pierwiastki ciężkie. Pierwiastki ciężkie wysyłają mniej promieniowania niż fosfor, w związku z czym cienie na obrazach po naświetleniu promieniowaniem są ciemniejsze. Obserwując zachowanie się pierwiastków ciężkich, można obserwować proces zmian jonów litu, związanych przez nie w elektrolicie.

Nowo opracowana technika obserwacji

Korzystając z opisanej powyżej techniki i ogniwa podobnego do używanych w rzeczywistych produktach, np. ogniwa laminowanego, można obserwować w czasie rzeczywistym proces zmian jonów litu, jaki zachodzi w elektrolitach podczas ładowania i rozładowywania akumulatorów. Nowa metoda obserwacji została opracowana we współpracy Toyota Central R&D Labs, Inc., Nippon Soken, Inc. oraz czterech uniwersytetów.

Proces zmian jonów litu w elektrolicie podczas rozładowywania akumulatora

Kontynuując badania, Toyota będzie obserwować zachowanie jonów litu w zależności od zastosowania katod, anod i separatorów o różnej strukturze i wykonanych z różnych materiałów, a także różnych elektrolitów i różnych sposobów sterowania pracą akumulatorów. Analiza mechanizmów powodujących pogarszanie się parametrów akumulatorów pozwoli zwiększyć pojemność oraz trwałość akumulatorów litowo-jonowych i tworzyć samochody elektryczne o większym zasięgu.