Przełomowe badania zmieniają zasady projektowania akumulatorów
Zespół naukowców z Argonne National Laboratory i University of Chicago zamiast powielać dotychczasowe schematy, zajrzał do wnętrza najnowszej generacji katod za pomocą zaawansowanych technik rentgenowskich i mikroskopii elektronowej. To, co zobaczyli, nie pasowało do dobrze znanej opowieści o pękających granicach ziaren w polikrystalicznych materiałach. Okazało się, że pojedynczy kryształ potrafi stać się wrogiem samym dla siebie, a wewnętrzne naprężenia narastają tam, gdzie dotąd nikt nie spodziewał się problemu.
Czytaj też: Jeśli te panele słoneczne trafią do sprzedaży, to “premium” w fotowoltaice zmieni się nie do poznania
W praktyce oznacza to, że cała strategia przechodzenia na “lepsze”, monokrystaliczne katody wymaga przepisania od zera. Nie wystarczy już mechaniczne kopiowanie dawnych proporcji niklu, manganu i kobaltu z epoki polikrystalicznych materiałów. Konieczne staje się projektowanie składu pod konkretny mechanizm degradacji, a nie pod to, co wydawało się słuszne przy zupełnie innej mikrostrukturze. To nie jest kosmetyczna korekta, lecz zmiana sposobu myślenia o akumulatorach, która sięga od laboratoriów po linie produkcyjne gigafabryk.
Dwa zupełnie różne mechanizmy psucia się akumulatorów
Przez lata dominującą technologią były katody polikrystaliczne. Ich mechanizm degradacji był względnie dobrze poznany. Podczas cykli ładowania i rozładowywania, maleńkie kryształy wewnątrz katody zmieniają swoją objętość, pęczniejąc i kurcząc się. Kiedy te zmiany przekraczają pewien próg, zwykle około 5-10%, w materiale pojawiają się pęknięcia. To właśnie one stanowią bramę dla elektrolitu, który wdzierając się w głąb struktury, inicjuje niepożądane reakcje chemiczne. W efekcie dochodzi do utraty pojemności, a w skrajnych przypadkach do uwolnienia tlenu i groźnej w skutkach ucieczki termicznej.
Logicznym krokiem wydawało się zatem przejście na katody monokrystaliczne. Skoro nie ma wielu połączonych ze sobą ziaren, to nie powinno być też granic, które mogłyby pękać. Teoria była piękna, ale rzeczywistość, jak to często bywa, zweryfikowała ją bezlitośnie. Tak też akumulatory z nowymi materiałami wcale nie okazały się wieczne. Naukowcy długo głowili się, dlaczego, a odpowiedź leżała w zupełnie innym miejscu. Klucz do rozwiązania zagadki tkwił w błędnym przenoszeniu starych zasad projektowania na nowe materiały.
Niejednorodność reakcji psuje monokryształy od środka
Z pomocą zaawansowanych technik, takich jak obrazowanie rentgenowskie i mikroskopia elektronowa, zespół pod kierownictwem Jing Wang przyjrzał się temu, co naprawdę dzieje się wewnątrz monokrystalicznych katod. Okazało się, że winowajcą jest heterogeniczność, czyli niejednorodność reakcji. Różne części tego samego, pojedynczego kryształu reagują z litem w różnym tempie, generując wewnętrzne naprężenia, które ostatecznie prowadzą do uszkodzeń.
Kiedy ludzie próbują przejść na katody monokrystaliczne, stosowali podobne zasady projektowania jak w przypadku katod polikrystalicznych. Nasza praca identyfikuje, że mechanizm awarii mechanicznej cząstek monokrystalicznych różni się od polikrystalicznych, a to z kolei prowadzi do różnych wymagań dotyczących składu – Jing Wang, pierwsza autorka badania.
Czytaj też: Montowanie paneli słonecznych na dachach nie musi być utrapieniem. Przez wszystkie te lata robiliśmy to źle?
Tego typu odkrycie wyjaśnia, dlaczego dotychczasowe próby poprawy trwałości często kończyły się niepowodzeniem. Mówi bowiem, że inżynierowie, niczym kucharze stosujący sprawdzony przepis, dobierali skład chemiczny, nie zdając sobie jednocześnie sprawy, że te same składniki w “innej kuchni” pełnią zupełnie inne role. Najbardziej zaskakujący był jednak rewolucyjny przegląd ról poszczególnych metali. W starej technologii polikrystalicznej kobalt był uważany za konieczne zło, choć przyczyniał się do pękania, to jednocześnie zapobiegał innemu problemowi zwanemu nieporządkiem litowo-niklowym. W świecie monokryształów sytuacja wygląda dokładnie odwrotnie.
Kobalt wraca do łask, a mangan na ławie oskarżonych.
Badacze przetestowali dwa rodzaje akumulatorów: z katodą niklowo-kobaltową (bez manganu) oraz niklowo-manganową (bez kobaltu). Wyniki były jednoznaczne. W materiałach monokrystalicznych to mangan okazał się głównym sprawcą mechanicznym uszkodzeń, podczas gdy kobalt rzeczywiście wydłużał żywotność ogniwa. Tutaj pojawia się jednak problem natury ekonomicznej. Kobalt jest metalem znacznie droższym od niklu czy manganu, a jego wydobycie wiąże się z poważnymi wyzwaniami etycznymi i środowiskowymi. Dlatego, jak wskazuje Wang, kolejnym krokiem będzie poszukiwanie tańszych zamienników, które będą naśladować korzystne działanie kobaltu, nie obciążając przy tym kosztów produkcji.
Perspektywy dla transportu i nie tylko
Znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza laboratorium. Lepsze zrozumienie procesów degradacji to szansa na projektowanie akumulatorów, które nie tylko dłużej posłużą, ale przede wszystkim będą bezpieczniejsze. Zaufanie do bezpieczeństwa jest z kolei fundamentem szerszej akceptacji technologii elektrycznych. Cała historia jest z kolei świetną lekcją pokory dla świata nauki i inżynierii. Pokazuje, jak niebezpieczne może być bezrefleksyjne przenoszenie starych paradygmatów na nowe technologie, bo to, co działało wczoraj, niekoniecznie sprawdzi się jutro.
Odkrycie nie jest jednak magicznym rozwiązaniem wszystkich problemów, a raczej solidnym fundamentem, na którym można budować kolejne, mądrzejsze generacje ogniw. Realny postój w dziedzinie magazynowania energii wciąż wymaga czasu, cierpliwości i dalszych, żmudnych badań, ale przynajmniej wiemy już, w którym kierunku nie iść.