Česká republika
Média

Vyvíjení baterie, která bude řídit budoucnost

Vedoucí laboratoře doktor Martin Schulz-Dobrick a jeho kolegyně kontrolují kvalitu elektrody.

V laboratořích Amagasaki Battery Materials Lab v Japonsku vyvíjejí výzkumníci společnosti BASF inovativní materiály, které zlepší výkon lithium-iontových baterií a zvýší dojezd elektromobilů. 

V pondělí v devět ráno si doktor Masaki Sekine, organický chemik, sedne ke svému počítači, aby si přečetl e-maily od kolegů z Německa a dalších zemí v rámci mezinárodní sítě výzkumu a vývoje akumulátorových zařízení společnosti BASF. Doktor Sekine je součástí nejnovějšího přírůstku této sítě, laboratoře Battery Materials Lab v Amagasaki v Japonsku, která byla slavnostně otevřena na začátku roku 2014. Doktor Sekine očekává, že od svých kolegů dostane zpětnou vazbu ohledně své snahy o vytvoření „zcela nové molekuly, která dosud neexistovala“.

Doktor Sekine je součástí týmu, který syntetizuje inovativní látky, aby mohly být použity jako doplňkové látky v elektrolytech, chemických nosičích, které umožňují tok iontů lithia mezi katodou, tedy kladnou elektrodou, a anodou, zápornou elektrodou. Nové doplňky ovlivňují elektrochemické reakce v baterii, a proto mohou zlepšit její výkon.

Jaké druhy doplňkových látek doktor Sekine vytvoří, to závisí na tom, který aspekt chtějí klienti ve svých bateriích zefektivnit. Mnoho klientů laboratoře jsou japonští výrobci lithium-iontových baterií, kteří vyvíjejí nové baterie pro elektromobily. Jejich cílem jsou vylepšení, jako např. vyšší hustota energie, větší stabilita při vysokých teplotách nebo zvýšení výkonu cyklu, tedy změna počtu nutných dobíjení.

Aby vytvořil nový doplněk, doktor Sekine používá proces organické syntézy. Syntéza látky probíhá v rozpouštědle. Toto rozpouštědlo musí být po úspěšné reakci odstraněno.

„Čištění aditiva je náročná část procesu,“ říká Sekine. „V mnoha případech nic nejde podle plánu. A ve většině případů jedno provedení nezaručí dostatečnou čistotu, aby byly splněny přísné specifikace pro doplňkové látky u baterií. Dokonce i přítomnost drobných nečistot může vést k neřízeným reakcím a může významně poškodit výkon baterie. Například zvyšuje riziko, že se baterie vybije, když se nepoužívá.“

Práce v celosvětové síti je povzbuzující a pomáhá projektovým týmům rychle najít řešení. „Jednou jsem se doslova zasekl u syntézy,“ vzpomíná Sekine. „Teoreticky jsem měl k dispozici několik syntetických postupů, ale ani jeden se v praxi neosvědčil. Kolega z Německa mě kontaktoval a navrhl mi jako alternativu katalýzu, která byla mnohem efektivnější.“ Taková zpětná vazba a otevřená spolupráce jsou klíčovými prvky úspěchu. Proto je dalším krokem doktora Sekine diskutovat o svých výsledcích s laboratorní elektrochemickou testovací skupinou.

Probíhá test: 1, 2, 3, 4 ...

Členem kontrolní skupiny je krom dalších také doktorka Čen-Ťi Chan, která pochází z Jen-ťi v Číně a stala se členem týmu v roce 2013. Pomáhá vyvíjet elektrolytické formule a provádí elektrochemické testování baterií s použitím nové generace anodových materiálů. Právě jejím úkolem je otestovat nejnovější syntetizované přísady.

Vezme novou přísadu do místnosti určené pro sestavování buněk, kde ji, oblečená do kombinézy, s ochrannými rukavicemi a brýlemi, vloží do připraveného základového elektrolytu a potom vstřikuje roztok do testovací buňky. To jí umožňuje zkoumat elektrochemické vlastnosti buňky. Výkon baterie se zhoršuje v závislosti na délce používání, ale také v průběhu času. Každý z těchto aspektů, výkonnost, životní cyklus a životnost, musí být testován. Aby otestovala poslední ze zmíněných aspektů, umístí buňku do cyklizátoru, kde se opakovaně nabíjí a vybíjí během několika týdnů nebo měsíců. Doktorka Chan popisuje své poznatky o práci se skupinou zabývající se syntézou: „Protože dnes víme víc o chemických interakcích baterie, můžeme syntezátorům poradit, které části přísad fungují dobře a které ne a jak nejlépe přepracovat jejich molekulární strukturu.“

„Naše zkušenosti v oblasti vývoje katodových a elektrolytických materiálů a naše schopnost pracovat společně jako jeden tým nás odlišují.“

Dr. Martin Schulz-Dobrick, vedoucí laboratoří Amagasaki Battery Materials Lab v Japonsku

Řešení pro potřeby všeho druhu

Mnoho prací prováděných v laboratoři je přizpůsobeno požadavkům jednotlivých zákazníků. A právě zde na scénu vstupuje Hiromi Sugijama. Nadřízený výzkumný pracovník v oblasti rozvoje katod pracuje přímo se zákazníky a pomáhá jim dosáhnout jejich výkonnostních cílů. To zahrnuje kontrolu testovacích dat katodových materiálů s cílem zjistit, zda je obsah transitního kovu vhodný pro zvolený druh výkonu, popřípadě zhodnotit, zda velikost částic a tvar materiálu zvyšuje cílový výkon, nebo ho naopak snižuje.

„Vždy musíme zvážit, jak katoda interferuje s ostatními složkami v baterii,“ vysvětluje Sugijama, který se připojil k týmu v roce 2014. „Testování a analýza se provádějí v úzké spolupráci s dalšími výzkumnými týmy.“

Pod jednou střechou

„Laboratoř Amagasaki je zvláštní v mnoha ohledech,“ říká doktor Martin Schulz-Dobrick, vedoucí zařízení. „Je to první závod společnosti BASF v Asii a Tichomoří, ve kterém probíhá kombinovaný vývoj katodových materiálů, elektrod a elektrolytických materiálů dohromady s aplikačními technologiemi. Nejenže provádíme základní výzkum těchto materiálů doslova od nuly, ale také podporujeme naše zákazníky, aby uváděli prototypy baterií.“ Jedním z příkladů aplikačního výzkumu na základě konkrétních potřeb zákazníka je společná práce na předpisu pro výrobu elektrolytu. „Společně navrhujeme a stavíme testovací baterie, které nám umožňují zkoušet naše materiály za podmínek blízkých potřebám našich zákazníků a tím urychlit celý vývoj,“ vysvětluje vedoucí laboratoře.

Nelze rovněž opomenout, že v laboratoři probíhají různé typy výzkumu společně pod jednou střechou. „To je velká výhoda naší laboratoře,“ říká Schulz-Dobrick, který přešel ze sídla společnosti BASF v Německu do Japonska v roce 2013. „Naše zkušenosti v oblasti vývoje katody a elektrolytických materiálů a naše schopnost pracovat společně jako jeden tým nás odlišují od jiných dodavatelů materiálu, kteří mohou zpravidla poskytnout výrobcům baterie buď elektrolytické, nebo katodové materiály. My se specializujeme na obojí.“

Související obsah

Čas na změnu směru

Mobilita budoucnosti

Mobilita ve městě budoucnosti

Udržujeme svět v pohybu