Najnowsze badania ujawniły pewien paradoks. Naukowcy odkryli bowiem, że grubsze elektrody powinny teoretycznie magazynować więcej energii, ale w praktyce starzeją się szybciej i ładują wolniej. Jednak co wtedy, jeśli w tym problemie kluczem nie jest grubość, lecz skład chemiczny?
To fascynujące odkrycie może podwoić zasięg twojego elektryka… i nie tylko
Grube elektrody zawierają więcej aktywnego materiału, co powinno zwiększać gęstość energii, czyli ilość energii w przeliczeniu na jednostkę masy. Jednak testy wykazały coś innego, bo to, że elektrody o dużej grubości ładowały się wolno, szybko się degradowały i wykorzystywały jedynie część swojej pojemności. Do tej pory wina za ten mechanizm była zrzucana na powolne przemieszczanie się ładunków przez porowatą strukturę elektrody, ale badacze z Rice znaleźli inną przyczynę.
Czytaj też: Cienka a rewolucyjna. Niemcy zniszczą nam samochody elektryczne, żeby one nie zniszczyły nas
Zespół kierowany przez Minga Tanga oraz głównego autora Zeyuana Li wykorzystał obrazowanie rentgenowskie o wysokiej rozdzielczości, by w czasie rzeczywistym obserwować reakcje chemiczne zachodzące w akumulatorze. Następnie porównał dwa popularne materiały katodowe: LFP (fosforan litowo-żelazowy) oraz NMC (niklowo-manganowo-kobaltowy), a wtedy okazało się, że w elektrodach LFP reakcje chemiczne zachodziły głównie przy powierzchni najbliżej separatora, a reszta pozostawała nieaktywna. Generowało to “gorące punkty”, które prowadziły do pękania materiału, spadku wydajności i szybszego starzenia, podczas gdy NMC wykazywało równomierną aktywność w całym przekroju elektrody, co znacząco zwiększało trwałość i pojemność.
Czytaj też: 500 megawatów w gigantycznej turbinie. Chiny rozwijały to 4 lata, a teraz przeszły same siebie
Dlaczego materiały zachowywały się tak różnie, mimo podobnej porowatości? Winna okazała się termodynamika. NMC i LFP mają różne przebiegi potencjału w zależności od stanu naładowania. Płaski przebieg napięcia w LFP sprzyja nierównomiernym reakcjom, a bardziej zróżnicowany w NMC umożliwia ich równomierne rozłożenie. Na podstawie tych wniosków zespół opracował nowy wskaźnik – Reaction Uniformity Number, czyli Wskaźnik Jednorodności Reakcji. To bezwymiarowa wartość łącząca właściwości termodynamiczne z geometrią elektrody, która pozwala przewidzieć, czy dany materiał nadaje się do stosowania w grubszych elektrodach.
Czytaj też: Wypluwa wodór, jakby był z innego świata, ale to nie jedyny as w zanadrzu tej technologii
Teraz inżynierowie akumulatorów mogą teraz wykorzystywać ten wskaźnik jako filtr w doborze materiałów i to na długo, zanim jeszcze rozpoczną proces produkcji. Dlatego też to odkrycie może znacząco wpłynąć na wiele branż, a w tym motoryzację, elektronikę konsumencką oraz magazyny energii. Kluczowe jest tu przesunięcie uwagi z konstrukcji fizycznej na chemię materiałów, bo to właśnie ona otwiera zupełnie nowe ścieżki dla projektowania nowoczesnych akumulatorów. U samych podstaw inżynierowie mogą teraz np. tworzyć hybrydy łączące trwałość NMC z niskim kosztem LFP i co najważniejsze, adaptować tę metodologię do nowych technologii, jak akumulatory sodowe czy te ze stałymi elektrolitami. Nadal jednak odkrycie wymaga dalszych testów przemysłowych, choć już teraz pewne jest, że nowe podejście otwiera drogę do akumulatorów większych, wydajniejszych i bardziej zrównoważonych. Co więc warto pamiętać? Że to nie grubość elektrody, ale chemia materiałów ma kluczowe znaczenie.