Nowe wyniki badań wykazały, że akumulatory nie starzeją się w sposób abstrakcyjny, a w bardzo fizyczny, wręcz mechaniczny sposób, bo ich elektrody dosłownie “oddychają”, rozszerzając się i kurcząc przy każdym ładowaniu oraz rozładowaniu. Ten pozornie łagodny ruch z czasem przeradza się w złożoną sieć naprężeń, pęknięć i mikrouszkodzeń. Naukowcy twierdzą, że to właśnie on stanowi klucz do zrozumienia, dlaczego nasze akumulatory tracą pojemność szybciej, niż sugerują arkusze specyfikacji. Dlaczego z kolei dowiedzieliśmy się o nim akurat dziś? Ano dlatego, że ten właśnie powtarzalny “oddech” został zarejestrowany z niespotykaną dotąd dokładnością dzięki zaawansowanej mikroskopii rentgenowskiej.
Akumulatory “oddychają” i to właśnie je zużywa
W klasycznym opisie degradacji akumulatorów zwykle mówi się o zużyciu materiałów albo starzeniu się chemii ogniwa. Tymczasem najnowsze badania pokazują, że chemia jest tu tylko połową historii, a druga połowa to czysta mechanika i wytrzymałość materiałów. Elektroda, którą w uproszczeniu wyobrażamy sobie jako jednorodną warstwę aktywnego materiału, w rzeczywistości jest skomplikowaną mozaiką ziaren, porów i spoiw. Gdy ładujemy akumulator, jony litu wnikają w te struktury, powodując ich pęcznienie, a gdy ją rozładowujemy, lit się z nich wycofuje i wszystko się kurczy. Problem w tym, że poszczególne fragmenty elektrody nie robią tego w tym samym tempie i w tym samym stopniu.
Czytaj też: Energetyka jądrowa ma szansę na nowy start. Największa bolączka reaktorów jądrowych ma swoje lekarstwo
To właśnie tu pojawia się zjawisko kaskad naprężeniowych, które zespół z Teksasu i współpracujących ośrodków zaobserwował w działaniu. Okazało się, że jedna, pozornie nieistotna niejednorodność (ziarno, które rozszerza się szybciej niż sąsiednie, delikatna różnica w strukturze materiału, inny stopień naładowania lokalnego fragmentu) staje się zarzewiem większego problemu. Różnice w ruchu poszczególnych cząstek tworzą lokalne wyspy naprężeń, które rozchodzą się jak pęknięcia na szybie – najpierw są ledwie widoczne, potem coraz bardziej rozgałęzione, aż w końcu struktura zaczyna tracić spójność. W skali pojedynczego cyklu ładowania taki mikropęknięty fragment nie jest tragedią, ale w skali setek czy tysięcy cykli te uszkodzenia sumują się, prowadząc do spadku pojemności i wzrostu oporu wewnętrznego.
Cenne w tym badaniu jest to, że naukowcom udało się śledzić te procesy w komercyjnych ogniwach, a nie tylko w modelowych próbkach przygotowanych na potrzeby laboratoriów. Wykorzystując transmisyjną mikroskopię rentgenowską o wysokiej rozdzielczości czasowej, mogli obserwować całe chmury cząstek aktywnego materiału i ich indywidualne “ścieżki ruchu” podczas pracy akumulatora. Okazało się, że część z nich pozostaje niemal nieruchoma, inne zaś wykonują gwałtowne, skokowe przemieszczenia. To właśnie ta nierównomierność staje się punktem wyjścia dla destrukcyjnej reakcji łańcuchowej, która z czasem przekłada się na realne możliwości akumulatora po naładowaniu.
Praktyczny wniosek dla inżynierów jest dość jasny: zamiast patrzeć wyłącznie na średnią pojemność czy średnią gęstość energii, trzeba projektować elektrody tak, aby ograniczać te lokalne, ekstremalne naprężenia. Oznacza to inne podejście do geometrii cząstek, sposobu ich upakowania, rodzaju spoiwa oraz dodatków poprawiających elastyczność i zdolność do kompensowania zmian objętości. Naukowcy sugerują, że połączenie tej wiedzy z odpowiednio dobranymi strategiami ładowania (na przykład łagodniejszym profilem prądowym w najbardziej wrażliwych fazach cyklu) może istotnie wydłużyć życie ogniw bez rezygnacji z wysokiej mocy czy szybkiego ładowania.
Co dalej z akumulatorami nowej generacji?
Zrozumienie tego mechanizmu to pierwszy krok do przeciwdziałania mu. Jednym z proponowanych, zaskakująco prostych rozwiązań jest zastosowanie kontrolowanego, zewnętrznego ciśnienia na ogniwo, które mogłoby kompensować wewnętrzne naprężenia i tym samym spowolnić proces degradacji. Jednak takie rozwiązanie może sprawdzić się wyłącznie w dużych pakietach do samochodów elektrycznych, a nie np. w cienkich smartfonach.
Czytaj też: Koniec z nocnymi przerwami w fotowoltaice. Startup zebrał miliony na pomysł, który wydaje się szalony
Kolejnym etapem badań ma być stworzenie szczegółowych modeli teoretycznych, które pozwolą przewidywać zachowanie materiałów i projektować elektrody odporne na te destrukcyjne kaskady. Perspektywa jest obiecująca, a to zwłaszcza dla sektora motoryzacyjnego, gdzie koszt wymiany akumulatora jest wysoki, a dłuższa żywotność ogniw mogłaby realnie obniżyć całkowity koszt posiadania samochodu elektrycznego. Innymi słowy, choć nauka zrobiła ważny krok naprzód, to jak zawsze na praktyczne efekty przyjdzie nam jeszcze trochę poczekać.