Zespół naukowców z Duke University dokonał istotnego przełomu w badaniach nad akumulatorami półprzewodnikowymi, które mogą zapewnić szybsze ładowanie, większą pojemność energetyczną i wyższe bezpieczeństwo. Kluczem do sukcesu okazała się analiza zachowania jonów litu na poziomie atomowym w superjonowym materiale stałym – chlorku fosforo-siarkowo-litowym (Li6PS5Cl). W tym celu badacze wykorzystali zaawansowane techniki rozpraszania neutronów w Oak Ridge National Laboratory (ORNL).
Czytaj też: Akumulatory ze stałym elektrolitem to nie melodia przyszłości, a rzeczywistość
Prof. Olivier Delaire z Duke University i lider zespołu badawczego mówi:
Nasze badania polegały na zrozumieniu, co dzieje się wewnątrz tych materiałów, dzięki wykorzystaniu mocy rozpraszania neutronów oraz dużej skali symulacji komputerowych.
Klucz do optymalizacji akumulatorów
Jednym z największych wyzwań w rozwoju akumulatorów półprzewodnikowych jest zapewnienie efektywnego przewodnictwa jonowego w stałym elektrolicie. W tradycyjnych ogniwach litowo-jonowych ciekły elektrolit pozwala jonom swobodnie przemieszczać się między elektrodami, ale jest również źródłem zagrożeń, takich jak łatwopalność i degradacja w czasie. Stałe elektrolity eliminują te zagrożenia, jednak dotychczas uznawano, że jony przemieszczają się w nich wolniej niż w cieczy.
Czytaj też: Biodegradowalna bateria przyszłości. Szwajcarzy wykorzystali niezwykły składnik
Dzięki badaniom neutronowym w laboratorium ORNL zespół prof. Delaire’a odkrył, że lit w superjonowym materiale Li6PS5Cl porusza się z podobną łatwością jak w ciekłym elektrolicie. To kluczowa informacja, ponieważ oznacza, że można opracować bezpieczniejsze ogniwa półprzewodnikowe, które nie tracą na efektywności i mogą ładować się znacznie szybciej.
Rozpraszanie neutronów jest niezwykle skutecznym narzędziem w badaniach nad lekkimi pierwiastkami, takimi jak lit. W przeciwieństwie do technik rentgenowskich, neutrony mogą przenikać przez gęste struktury bez ich niszczenia i ujawniać informacje, które byłyby niewidoczne innymi metodami.
Naukowcy wykorzystali spektroskopię neutronową, stosując techniki ARCS (Wide Angular-Range Chopper Spectrometer) oraz BASIS (Backscattering Spectrometer). Połączenie tych eksperymentów z symulacjami komputerowymi przeprowadzonymi w National Energy Research Scientific Computing Center pozwoliło na szczegółową analizę ruchu jonów litu w skali atomowej. Wyniki mogą znacząco wpłynąć na przyszłość magazynowania energii. Akumulatory ze stałym elektrolitem (typu solid state) są uznawane za kluczową technologię dla pojazdów elektrycznych oraz systemów magazynowania energii odnawialnej. Oferują wyższą pojemność energetyczną, dłuższą żywotność i mniejsze ryzyko pożaru niż tradycyjne baterie litowo-jonowe.
Dr Naresh Osti, specjalista ds. rozpraszania neutronów w ORNL, wyjaśnia:
Nasze odkrycia są przełomowe, ponieważ otwierają drogę do optymalizacji przewodnictwa jonów w tych materiałach, co pozwoli na znaczne zwiększenie wydajności baterii.
Nie ma wątpliwości, że w najbliższych latach akumulatory półprzewodnikowe mogą stać się nowym standardem w energetyce i motoryzacji. Dzięki neutronom naukowcy są o krok bliżej do rozwiązania problemów, które dotychczas blokowały ich rozwój. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Physics.