Ścigacz.pl

Rozwój technologii akumulatorów nowej generacji ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia zamierzonej, zerowe emisji. Akumulatory wciąż są słabym elementem technologii. Czy to się zmieni?

Naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences opracowali nową baterię litowo-metalową, która może być ładowana i rozładowywana co najmniej 6000 razy - więcej niż jakiekolwiek inne ogniwo akumulatorowe. Ponadto baterię można naładować w ciągu kilku minut, co otwiera możliwość rzeczywiście bardzo szybkiego ładowania.

Technologia bazuje na nowatorskiej metodzie budowy baterii półprzewodnikowych z anodą litowo-metalową i ujawnia nowe spojrzenie na materiały stosowane w tych potencjalnie bardzo wydajnych bateriach. Rozwój ten może doprowadzić do bardziej ekologicznych form energii w przyszłości.

Jednym z największych wyzwań w projektowaniu takich baterii jest radzenie sobie z dendrytami, które tworzą się na powierzchni anody. Struktury te rosną jak korzenie i naruszają barierę między anodą a katodą, powodując zwarcie lub nawet zapalenie się baterii.

Dendryty tworzą się, gdy jony litu przemieszczają się z katody do anody podczas ładowania i przyczepiają się do powierzchni anody w procesie znanym jako galwanizacja. Tworzy to nierówną, niejednorodną powierzchnię i umożliwia zakorzenienie się dendrytów. Gdy akumulator jest rozładowywany, warstwa galwaniczna musi zostać usunięta z anody. Jednak gdy powłoka galwaniczna jest nierówna, proces usuwania może być powolny i powodować powstawanie dziur, co prowadzi do dalszych nieregularności powierzchni i wzrostu dendrytów.

"Baterie z anodą litowo-metalową są uważane za świętego Graala baterii, ponieważ mają dziesięciokrotnie większą pojemność niż komercyjne anody grafitowe i mogą drastycznie zwiększyć zasięg pojazdów elektrycznych" - powiedział Xin Li, profesor nadzwyczajny materiałoznawstwa w SEAS. "Nasze badania są ważnym krokiem w kierunku bardziej praktycznych baterii półprzewodnikowych do zastosowań przemysłowych i komercyjnych".

W 2021 r. Li i jego zespół zaproponowali rozwiązanie problemu dendrytów, tworząc wielowarstwową baterię, która zawierała różne materiały o różnej stabilności między anodą a katodą. Taka konstrukcja umożliwiła kontrolowaną i ograniczoną penetrację dendrytów litowych.

W swoich ostatnich badaniach Li i jego zespół zastosowali w anodzie cząsteczki krzemu wielkości mikrona, aby uniknąć tworzenia się dendrytów poprzez ograniczenie reakcji litowania i promowanie jednolitego powlekania grubą warstwą litu metalicznego.

W tym konkretnym projekcie, gdy jony litu przemieszczają się z katody do anody podczas ładowania, reakcja litowania jest ograniczona na płytkiej powierzchni, a jony przyczepiają się do powierzchni cząstek krzemu, ale nie przenikają dalej.

W przeciwieństwie do ciekłych akumulatorów litowo-jonowych, w których jony litu wnikają głęboko w krzem i uszkadzają go, w akumulatorze półprzewodnikowym jony litu przyczepiają się tylko do powierzchni cząstek krzemu. Jony na powierzchni krzemu poddawane dynamicznemu procesowi, tworząc metaliczną powłokę litową wokół rdzenia krzemu.

Te powlekane cząstki tworzą jednorodną powierzchnię, która pomaga równomiernie rozprowadzać  prąd i zapobiega rozwojowi dendrytów. Umożliwia to naładowanie baterii w ciągu zaledwie około 10 minut, ponieważ powlekanie i usuwanie może nastąpić szybko na równej powierzchni.

Naukowcy zbudowali większą wersję baterii, około 10 do 20 razy większą niż ogniwo pastylkowe produkowane w większości laboratoriów uniwersyteckich. Ta bateria wielkości znaczka pocztowego zachowała 80% swojej pojemności po 6000 cykli, przewyższając tym samym inne baterie dostępne obecnie na rynku.

Obecnie zespół buduje baterię wielkości smartfona. Jak długo będzie trzeba czekać na efekty? Zapewne kilka miesięcy, ale dotychczasowe osiągnięcia są bardzo obiecujące. Być może technologia baterii w końcu zyska skok potrzebny do przełamania ograniczeń technologii, w tym pojazdów elektrycznych.