A to ze względu na fakt, iż mogą zaoferować większą gęstość energetyczną, krótszy czas ładowania czy wyższy poziom bezpieczeństwa niż tradycyjne akumulatory litowo-jonowe. Niestety, ich dotychczasowy rozwój napotykał poważne problemy, szczególnie w zakresie trwałości i stabilności chemicznej poszczególnych elementów. Wygląda jednak na to, że naukowcy z Xidian University mają na to patent.
Czytaj też: Nowa rzeczywistość w przetwarzaniu ropy naftowej. Naukowcy wywołali ogromny spadek zużycia energii
Ich rozwiązanie miałoby pomóc uporać się z jednym z najważniejszych ograniczeń. Chodzi o specjalną powłokę ochronną na bazie polimeru krzemowego i indu, dzięki której badane ogniwa zachowały 82,3 procent początkowej pojemności po 300 cyklach ładowania i rozładowania. Wyniki badań ukazały się w Science China Chemistry, a uzyskane rezultaty pokazują, iż odpowiednia modyfikacja powierzchni litu może znacząco poprawić parametry przyszłych akumulatorów.
Jednym z najważniejszych składników nowej generacji akumulatorów jest lit metaliczny, który może magazynować znacznie więcej energii na jednostkę masy niż grafit stosowany w anodach tradycyjnych ogniw litowo-jonowych. Teoretycznie jego wykorzystanie pozwala więc budować akumulatory o większej pojemności przy zachowaniu podobnych wymiarów i masy.
Sęk w tym, że podczas kolejnych cykli ładowania i rozładowania na powierzchni litu mogą powstawać charakterystyczne struktury przypominające cienkie igły. Te tzw. dendryty mogą stopniowo przenikać przez elektrolit, doprowadzając do zwarcia wewnętrznego. Dodatkowo lit metaliczny może reagować chemicznie z elektrolitem stałym, powodując degradację granicy styku obu materiałów. To właśnie stabilność tego interfejsu jest jednym z największych wyzwań stojących przed konstruktorami baterii solid-state.
Zespół badawczy z Xidian University opracował metodę tworzenia specjalnej warstwy ochronnej bezpośrednio na powierzchni metalicznego litu. Uczeni wykorzystai do tego polimer na bazie krzemu oraz chlorek indu. Po nałożeniu ciekłego prekursora dochodzi do reakcji chemicznej, w wyniku której powstaje hybrydowa powłoka o grubości zaledwie 12 mikrometrów.
Jej struktura składa się z kilku elementów pełniących odmienne funkcje. Jednym z nich jest fluorek litu, który ogranicza przepływ elektronów i pomaga zapobiegać niepożądanym reakcjom chemicznym. Kolejnym składnikiem są nanocząstki stopu litu i indu, ułatwiające bardziej równomierne osadzanie jonów litu. Całość uzupełnia elastyczna matryca polimerowa, która ma amortyzować naprężenia powstające podczas pracy akumulatora. Takie połączenie właściwości mechanicznych i chemicznych ma ograniczać powstawanie dendrytów, poprawiać kontakt pomiędzy elektrodą a elektrolitem oraz zwiększać stabilność całego ogniwa.
Po fazie projektowania przyszła pora na testy kompletnego ogniwa wykorzystującego katodę z tlenku niklu, kobaltu i manganu oraz elektrolit siarczkowy. Początkowa pojemność właściwa wynosiła 129,8 mAh/g. Po 300 cyklach ładowania i rozładowania, przeprowadzanych przy szybkości 0,5C, ogniwo z zabezpieczoną anodą zachowało 82,3 procent początkowej pojemności. Dla porównania analogiczne ogniwa wykorzystujące niepokrytą powierzchnię litu zachowały zaledwie 43 procent początkowej pojemności. Oznacza to różnicę wynoszącą 39,3 punktu procentowego.
Czytaj też: 43% więcej energii bez większego akumulatora. Chiny pokazały, jak powinien rozwijać się elektryk
Poprawa wystapiła również podczas testów odporności na wysokie natężenie prądu. Krytyczna gęstość prądu dla zabezpieczonego litu wyniosła 3,5 mA/cm², podczas gdy w przypadku materiału bez powłoki było to zaledwie 0,8 mA/cm². Parametr ten ma istotne znaczenie, ponieważ wiąże się z odpornością ogniwa na niekontrolowany wzrost dendrytów podczas intensywnego ładowania. Istotną zaletą opracowanej metody jest sposób nanoszenia powłoki. Zamiast skomplikowanych procesów wymagających kosztownego wyposażenia próżniowego naukowcy zastosowali metodę opartą na ciekłym prekursorze, który reaguje bezpośrednio z powierzchnią litu.
Takie rozwiązanie może w przyszłości ułatwić integrację procesu z przemysłowymi liniami produkcyjnymi. Nie oznacza to jednak, że koszt wytwarzania gotowych akumulatorów już na tym etapie mógłby stać się niższy. Wykorzystanie indu, dostępność surowców i konieczność zachowania wysokiej powtarzalności produkcji nadal wymagają dokładnej analizy. Badacze zapowiadają również poszukiwanie alternatywnych materiałów, między innymi na bazie cyny i cynku.
Źródło: Science China Chemistry
