Litij-zračne baterije mogle bi omogućiti električnim automobilima doseg do 2000 kilometara i postići pet puta veću gustoću energije od baterija s čvrstim elektrolitom. Teorijska specifična energija ove kemije često se navodi na oko 3505 Wh/kg. Međutim, ta se brojka odnosi na elektrokemijski potencijal, a ne na karakteristike kompletne automobilske baterije, piše IT Home.
Povezanost s CATL-om proizlazi iz izjave glavnog znanstvenika tvrtke Wua Kaija, koji je litij-zračnu tehnologiju na Forumu o opremanju i proizvodnim tehnologijama 2026. godine naveo kao dugoročni istraživački smjer. Kao što smo ranije izvijestili, šira strategija razvoja baterija tvrtke CATL daje prednost natrij-ionskim baterijama i baterijama s potpuno čvrstim elektrolitom, koje su bliže komercijalizaciji, dok litij-zračna tehnologija ostaje dugoročan istraživački projekt. CATL nije najavio cilj dosega od 2000 kilometara za serijski automobil niti raspored komercijalizacije te tehnologije.
Razlika između teorijske gustoće energije i stvarnih karakteristika u automobilu i dalje je vrlo velika. Upravljanje kisikom, kemijska stabilnost, mogućnost ponovnog punjenja i potrebna prateća oprema predstavljaju ozbiljne inženjerske izazove. Konvencionalne litij-ionske baterije pohranjuju litij unutar dviju elektroda, pri čemu se litijevi ioni tijekom punjenja i pražnjenja kreću između anode i katode. Litij-zračne baterije umjesto toga koriste metalni litij kao negativnu elektrodu, a kisik iz okolnog zraka kao pozitivni reaktant.
Tijekom pražnjenja litij reagira s kisikom i stvara litijev peroksid (Li₂O₂) unutar porozne katode. Tijekom punjenja reakcija se odvija u suprotnom smjeru, pri čemu se oslobađa kisik, a litijevi ioni vraćaju na anodu. Budući da se kisik uzima iz vanjskog izvora, umjesto da se pozitivni reaktant pohranjuje u konvencionalnom katodnom materijalu, ova kemija ima vrlo visok teorijski potencijal specifične energije.
Često spominjana vrijednost od 3505 Wh/kg odnosi se na teorijsku reakciju stvaranja litijeva peroksida i uključuje masu kisika kao reaktanta. Veće vrijednosti, koje se približavaju 12.000 Wh/kg, temelje se na drukčijem načinu izračuna, pri čemu se masa kisika ne uračunava. Nijedna od tih vrijednosti ne predstavlja gustoću energije kompletne automobilske baterije. Elektroliti, elektrode, zaštitne komponente i oprema za upravljanje zrakom dodatno povećavaju masu i volumen sustava.
Interes automobilske industrije za litij-zračne baterije pojavio se mnogo prije istraživanja CATL-a. IBM je još 2009. pokrenuo projekt Battery 500, s ciljem razvoja metal-zračne baterije koja bi električnom automobilu omogućila doseg od 805 kilometara s jednim punjenjem. U međunarodnom istraživačkom programu sudjelovali su akademski i industrijski partneri, ali on nije rezultirao komercijalno dostupnom automobilskom baterijom. Novija istraživanja usmjerena su na rješavanje kemijskih ograničenja litij-zračnih baterija, osobito nakupljanja produkata pražnjenja unutar poroznih katoda. U studiji iz 2025. godine istraživači sa Sveučilišta znanosti i tehnologije Kine (USTC), među kojima je bio i profesor Peng Tan, proučavali su kako svojstva elektrolita u pogledu prijenosa kisika utječu na reakcijske mehanizme u litij-kisik baterijama.
Koristeći debele elektrode, istraživači su pokazali kako otpor prijenosu mase može mijenjati reakcijske putove na različitim mjestima unutar elektrode. Istraživanje pruža nove spoznaje važne za konstrukciju elektroda, ali ne predstavlja rješenje problema začepljenja katode u automobilskim baterijama.
Drugi važan rezultat ostvarili su istraživači povezani sa Sveučilištem Jilin i Kineskom akademijom znanosti. U studiji iz 2024. godine, objavljenoj u časopisu Advanced Energy Materials, predstavili su optimiziranu konfiguraciju litij-zračne baterije u obliku vrećaste ćelije (pouch cell), koja je uz polimerni elektrolit formiran in situ postigla specifičnu energiju od 757,5 Wh/kg. Istraživači su također demonstrirali 241 ciklus punjenja i pražnjenja u određenim laboratorijskim uvjetima, uz strujno opterećenje od 500 mA/g i kapacitet od 1000 mAh/g. Riječ je o laboratorijskom rezultatu, a ne o komercijalno potvrđenoj vrijednosti za automobilski baterijski paket.
Istraživači s Tehnološkog instituta Illinois i Nacionalnog laboratorija Argonne predstavili su još jedan pristup u znanstvenom radu objavljenom 2023. godine u časopisu Science. Njihova litij-zračna baterija s čvrstim elektrolitom koristila je reakciju s prijenosom četiri elektrona, pri čemu je nastajao litijev oksid (Li₂O), umjesto uobičajenijeg litijeva peroksida. Baterija je na sobnoj temperaturi ostvarila najmanje 1000 ciklusa punjenja i pražnjenja. Procijenjeni teorijski potencijal gustoće energije iznosio je 1200 Wh/kg, što nije isto što i izmjerena vrijednost komercijalne baterijske ćelije.
Ovi rezultati pokazuju napredak u odnosu na same teorijske izračune, ali zbog različitih kemijskih sastava, radnih uvjeta i načina mjerenja izravne usporedbe nisu jednostavne. Nijedno od tih istraživanja još nije rezultiralo baterijom spremnom za serijsku ugradnju u osobne automobile.
No ima i ozbiljnih prepreka u komercijalizaciji ove tehnologije. Litij-zračnoj bateriji potreban je kisik, ali istodobno mora biti zaštićena od vlage i ugljikova dioksida. Ti onečišćivači mogu izazvati neželjene reakcije koje oštećuju litijevu anodu, elektrolit i katodu. Vlaga može reagirati s metalnim litijem, dok ugljikov dioksid može dovesti do stvaranja litijeva karbonata (Li₂CO₃). Naslage unutar porozne katode mogu ograničiti prolazak kisika i smanjiti iskoristivi kapacitet. Automobilski sustav zato bi morao imati kontrolirani dovod zraka, filtraciju i regulaciju vlažnosti, a moguće i dodatnu opremu za obradu plinova. Sve to povećava masu i volumen baterijskog sustava, a pritom troši i dio raspoložive energije. U studiji objavljenoj 2023. godine u časopisu Journal of Energy Storage predložen je sustav pomoćne mehaničke opreme (balance of plant) za vozila s litij-zračnim baterijama. Prema procjenama autora, u predloženoj konfiguraciji vozila prateća bi oprema trošila 5,4 posto snage baterije. Riječ je o vrijednosti specifičnoj za predloženi konstrukcijski koncept, ali ona dobro ilustrira dodatnu potrošnju energije potrebnu za rad litij-zračnih ćelija u vozilu.
Tijekom punjenja potrebno je ukloniti litijev peroksid iz katode. Obrnuta reakcija zahtijeva dodatnu energiju, a može pritom nastati i reaktivni kisik koji napada elektrolit i druge dijelove ćelije. Takve sporedne reakcije pridonose gubitku kapaciteta i ograničenom vijeku trajanja baterije. Litijeve metalne anode također su nestabilne tijekom ponovljenog taloženja i uklanjanja litija. Zbog toga velika početna gustoća energije ne jamči pouzdan rad tijekom stotina ili tisuća ciklusa punjenja i pražnjenja. Niža ukupna učinkovitost ciklusa punjenja i pražnjenja znači da je za isporuku određene količine iskoristive električne energije potrebno uložiti više energije. Dio gubitaka pretvara se u toplinu, što povećava zahtjeve za toplinskim upravljanjem, dok dodatnu potrošnju stvara i oprema za dovod i obradu zraka. Uz masu i volumen baterije te učinkovitost vozila, potrebno je uzeti u obzir i zahtjeve za hlađenjem.
Specifična energija označava količinu energije koju baterija može pohraniti po jedinici mase, dok volumetrijska gustoća energije pokazuje koliko energije može pohraniti u određenom volumenu. Gustoća snage određuje koliko brzo baterija može isporučivati pohranjenu energiju. Osobnim automobilima potrebne su sve tri karakteristike. Baterija s iznimno visokom specifičnom energijom, ali slabom isporukom snage ili malom volumetrijskom gustoćom, ne bi automatski bila prikladna za ugradnju u automobil. Mora osigurati dovoljno snage za ubrzavanje, pretjecanje i dugotrajnu vožnju, a istodobno se mora uklopiti u predviđeni prostor za baterijski paket. Ni zamjena baterija ne bi riješila navedena ograničenja. Iako bi takav sustav omogućio izmjenjivanje baterijskih paketa između vozila i punionica, ne bi mogao zaustaviti kemijsku razgradnju, obnoviti oštećene elektrolite niti ukloniti nepovratne naslage unutar degradiranih elektroda, piše Car News China.
