Kulisy wykonanych w tej sprawie analiz zostały już zaprezentowane w Nature Communications. Sukces jakim niewątpliwie jest wzrost tempa ładowania tych baterii nastąpił dzięki wykorzystaniu azotanu cezu. Związek ten, dodany do elektrolitu oddzielającego anodę i katodę, nie tylko poprawił wyniki związane z szybkością procesu ładowania, ale zarazem nie wpłynął negatywnie na cykl życia całego urządzenia.
Czytaj też: Akumulator oparty na składniku krwi. To pierwsza taka konstrukcja w historii
W centrum zainteresowania członków zespołu badawczego znalazła się tzw. interfaza, która ma charakter warstwy ochronnej zapobiegającej degradacji elektrod. Inżynierowie wiedzą, że to właśnie tam kryje się sekret do projektowania akumulatorów litowo-metalowych przystosowanych do wielokrotnego ładowania i rozładowywania – na podobną skalę, jak ma to miejsce w przypadku znacznie popularniejszych wariantów litowo-jonowych
Jak się okazało, dodanie azotanu cezu poprawiło stabilność pracy akumulatorów, przy okazji zaskakując autorów zmianą składu chemicznego w sposób, jakiego się nie spodziewali. Ostatecznym celem jest tworzenie akumulatorów o gęstości energii wynoszącej 500 watogodzin na kilogram. Taki wynik znacząco wykraczałby poza obecne możliwości, gdyż najbardziej zaawansowane baterie cechują się wartościami około dwukrotnie niższymi.
Azotan cezu dodany do elektrolitu oddzielającego anodę i katodę, nie tylko poprawił wyniki związane z szybkością procesu ładowania, ale zarazem nie wpłynął na cykl życia całego akumulatora
Cel nie zostanie osiągnięty z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych, ale litowo-metalowe mają w tym zakresie znacznie większy potencjał. Takowe w miejscu anody grafitowej posiadają anodę litowo-metalową. To właśnie za jej sprawą możliwe miałoby być osiągnięcie nawet dwukrotnie wyższej gęstości energii. Ale akumulatory litowo-metalowe mają przy tym inne problemy, z którymi trzeba się uporać. Na przykład naukowcy ze Stanów Zjednoczonych dążyli do osiągnięcia równowagi między szybkością ładowania a żywotnością cyklu.
Jednym z negatywnych czynników wpływających na skrócenie żywotności takich baterii były niekontrolowane reakcje chemiczne między elektrolitami a anodami. Na podstawie dotychczasowych ustaleń było wiadomo, że anodę litowo-metalową można ustabilizować z wykorzystaniem cezu. Niestety, do zwiększenia tempa ładowania przy jednoczesnym zachowaniu żywotności anoda i katoda musiałyby zostać ustabilizowane za jednym razem.
Czytaj też: Orlen otwiera specyficzną elektrownię. Polacy dostaną energię wprost ze ścieków
Autorzy najnowszych badań postawili z tego względu na azotan cezu, który miał być wybawieniem dla akumulatorów litowo-metalowych. W teorii dodatni jon cezu powinien gromadzić się po ujemnie naładowanej stronie anody baterii litowo-metalowej, natomiast ujemny jon azotanu miałby migrować w kierunku dodatnio naładowanej katody. Obserwacje przeprowadzono z wykorzystaniem NSLS-II, czyli zaawansowanego źródła światła rentgenowskiego, które wytwarza wiązki światła 10 miliardów razy jaśniejsze niż Słońce.
Zaawansowane narzędzia zapewniły inżynierom wgląd w sytuację panującą wewnątrz baterii. Ostatecznie potwierdzono, że dodatek azotanu cezu korzystnie wpływa na stopień ochrony interfazy. Poza spodziewanymi zmianami naukowcy zwrócili uwagę na związek znany jako bis(fluorosulfonylo)imidek cezu. Ich zainteresowanie wzbudził też brak fluorku litu. Co istotne, pozbawiona go interfaza powinna warunkować długi cykl życia i szybkie ładowanie, dlatego eksperymenty można uznać za naprawdę udane.
