Nawet po dekadach doświadczenia w projektowaniu i produkcji różnego rodzaju akumulatorów, inżynierowie wciąż nie wiedzą, co powoduje zjawisko utraty ich pojemności w czasie. Teraz międzynarodowy zespół uczonych pod kierunkiem naukowców z CU Boulder ujawnił mechanizm leżący u podstaw degradacji baterii. Jego rozszyfrowanie może oznaczać jeszcze dłużej działające smartfony i samochody elektryczne ze znacznie większym zasięgu. Szczegóły opublikowano w czasopiśmie Science.
Czytaj też: Akumulatory ze stałym elektrolitem to nie melodia przyszłości, a rzeczywistość
Prof. Michael Toney z CU Boulder mówi:
Pomagamy w rozwijaniu baterii litowo-jonowych, odkrywając procesy na poziomie molekularnym zaangażowane w ich degradację. Posiadanie lepszej baterii jest bardzo ważne w transformacji energetycznej z paliw kopalnych na bardziej odnawialne źródła energii.
Akumulatory, które nie tracą pojemności w czasie to melodia przyszłości? Niekoniecznie
W akumulatorze litowo-jonowym, najszerzej stosowanym ogniwie chemicznym na świecie, jony litu przemieszczają się z anody (bieguna dodatniego) do katody (bieguna ujemnego) przez roztwór elektrolitu. Tworzy to prąd, który zasila urządzenia od telefonów po laptopy, a nawet pojazdy elektryczne. Jony litu są zwracane do anody podczas procesu ładowania, a cykl może się powtarzać. Uważano jednak, że nie wszystkie jony litu są zwracane do anody, co prowadzi do spadku pojemności w czasie lub procesu znanego jako samorozładowanie.
Czytaj też: Zbieram szczękę z podłogi. Ten akumulator do elektryków Mercedesa wydłuża jazdę o 80 proc.
Inżynierowie od lat pracują nad bateriami litowo-jonowymi bez dodatku kobaltu. Jest on drogim, rzadkim minerałem, a proces jego wydobywania wiąże się z poważnymi problemami środowiskowymi i prawami człowieka. W Demokratycznej Republice Konga, która dostarcza ponad połowę światowego kobaltu, wielu górników to dzieci. Do tej pory naukowcy próbowali zastąpić kobalt w bateriach litowo-jonowych innymi pierwiastkami, takimi jak nikiel i magnez. Jednak takie akumulatory są jeszcze bardziej podatne na samorozładowanie.
Zespół prof. Toneya użył Advanced Photon Source (APS), potężnego urządzenia rentgenowskiego w Argonne National Laboratories w Illinois, aby ustalić przyczynę samorozładowania. Uczeni odkryli, że atomy wodoru powstają w wyniku reakcji między elektrolitem a katodą po pełnym naładowaniu baterii. Atomy te wiążą się z katodą, podczas gdy lit w przeciwnym razie wiązałby się podczas rozładowania. W rezultacie jony litu mają mniej miejsc, do których mogą się wiązać na katodzie, co osłabia prąd elektryczny i zmniejsza pojemność baterii.
Dr Gang Wan ze Stanford University mówi:
Odkryliśmy, że im więcej litu wyciągniesz z katody podczas ładowania, tym więcej atomów wodoru gromadzi się na powierzchni. Proces ten wywołuje samorozładowanie i powoduje naprężenia mechaniczne, które mogą powodować pęknięcia w katodzie i przyspieszać degradację ogniwa.
Pokrycie katody specjalnym materiałem, który blokuje tylko atomy wodoru, może być opcją. Zwykle można użyć ochronnych tlenków, takich jak tlenek glinu (Al2O3), które nie są drogie, ale nie wiadomo, przez jak długi czas są skuteczne.
Przeprowadzone badania otwierają nowe horyzonty i mogą pomóc w opracowaniu lepszych akumulatorów. Ponieważ świat dąży do wycofania paliw kopalnych, ogniwa, które nie tracą pojemności w trakcie swojego okresu eksploatacji, mogą być prawdziwym Świętym Graalem energetyki.