Nový dizajn elektród môže viesť k batériám s oveľa dlhšou výdržou
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 5. 2. 2020
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Vedci dúfajú, že jedným zo spôsobov, ako zlepšiť výkonnosť dnešných lítiových batérií, je výmena niektorých ich kvapalných komponentov za pevné. Tieto experimentálne zariadenia sú známe ako polovodičové alebo solid-state batérie. Vedci z MIT pritom dosiahli významný pokrok v architektúre polovodičových batérií, ktorá prekonáva obmedzenia súčasných návrhov.
V bežnej lítiovej batérii slúži tekutý elektrolyt ako médium, cez ktoré sa pohybujú lítiové ióny medzi anódou a katódou, tam a späť. Jedným z problémov je to, že táto tekutina je vysoko prchavá a niekedy to môže viesť až k vzplanutiu batérie. Výmenou tekutého elektrolytu za pevný materiál by sa tak nielenže zvýšila bezpečnosť batérií, ale tiež by to mohlo priniesť nové možnosti pre ďalšie kľúčové komponenty batérie. Anóda v dnešných lítiových batériách je vyrobená zo zmesi medi a grafitu, ale ak by bola vyrobená z čistého lítia, mohla by výrazne prekonať energetickú hustotu súčasných lítium-iónových batérií.
Obrovský potenciál čistej lítiovej anódy má preto vo výskume batérií vysokú prioritu a odrazovým mostíkom by tak mohlo byť zavedenie životaschopného pevného elektrolytu. S ním sú však spojené značné prekážky. Keď sa takáto polovodičová batéria nabíja, vo vnútri lítiového kovu sa hromadia atómy, ktoré spôsobujú jeho rozširovanie. Počas používania sa ich počet znižuje, čím dochádza zase k sťahovaniu kovu. Tým je takmer nemožný stály kontakt medzi materiálmi a môže to viesť až k zlomeniu elektrolytu.
Tento problém by mohla vyriešiť nová architektúra batérií, ktorú vyvinuli výskumníci z MIT. Zahŕňa kombináciu tuhých materiálov známych ako zmiešané iónovo-elektronické vodiče (MIEC) a izolátory elektrónov a Li-iónov (ELI). Tie boli zabudované do trojrozmernej voštinovej architektúry z trubíc v nano meradle, ktoré sú vyrobené z MIEC. Tieto nano trubice sú naplnené pevným lítiovým kovom, čím sa vytvorila anóda batérie. Keďže v každej z týchto trubíc je viac priestoru, má lítiový kov rezervu na rozširovanie a zmenšovanie počas nabíjania a vybíjania. Týmto spôsobom sa materiál pohybuje sa podobne ako kvapalina, ale udržuje v priebehu procesu pevnú kryštalickú štruktúru.
To všetko sa deje vo vnútri voštinovej anódy, pričom ELI poťahujú stenami nano trubíc a pôsobia ako spojivo medzi nimi a tuhým elektrolytom. To znamená, že keď sa batéria nabíja, kolísavé rozmery lítiového kovu sú obsiahnuté vo vnútri štruktúry a jej vonkajšie rozmery sa nezmenia. Výsledkom je anóda batérie, ktorá je chemicky a mechanicky stabilná počas procesu nabíjania a vybíjania, zatiaľ čo lítium nikdy nestratí elektrický kontakt s pevným elektrolytom. Tím výskumníkov to považuje za významný pokrok v porovnaní s inými experimentálnymi solid-state batériami, ktoré sa zvyčajne spoliehajú na nejaký druh tekutého elektrolytu.
Nová architektúra polovodičových batérií bola podrobená testom, a údajne batéria vydržala 100 cyklov nabíjania a vybíjania bez známok prasklín. Táto technológia by mohla viesť k anódam s hmotnosťou približne štvrtiny súčasných návrhov, ale s rovnakou úložnou kapacitou. V kombinácii s ďalšími návrhmi pre katódu tím tvrdí, že by to mohlo viesť k batériám pre smartfóny v rovnakej hmotnosti a veľkosti ako súčasné, no s výdržou viac ako tri dni na jedno nabitie.
