Baterie litowe. Zaskakująco prosty sposób na wielki problem nowej generacji ogniw
Baterie litowe półprzewodnikowe od lat rozpalają wyobraźnię inżynierów i producentów samochodów elektrycznych. Mają być szybsze w ładowaniu, bezpieczniejsze i pojemniejsze niż dziś stosowane ogniwa z ciekłym elektrolitem.
Ich droga do masowej produkcji wciąż jednak napotyka poważną przeszkodę – mikroskopijne, ale zabójcze dla baterii dendryty litowe. Najnowsze badania naukowców z Brown University pokazują, że rozwiązanie tego problemu może być zupełnie gdzie indziej, niż się wydawało.
Dendryty to cienkie „igły” metalu litu, które powstają wewnątrz baterii podczas szybkiego ładowania. Z czasem mogą przebić elektrolit oddzielający anodę od katody, powodując zwarcie i trwałe uszkodzenie ogniwa. To właśnie one sprawiają, że potencjał baterii półprzewodnikowych pozostaje w dużej mierze niewykorzystany, mimo ich teoretycznych zalet.
Zespół inżynierów z Brown University, związany z uniwersytecką Inicjatywą na rzecz Zrównoważonej Energii, postanowił spojrzeć na problem z innej strony – dosłownie i w przenośni. W badaniach opublikowanych na łamach prestiżowego czasopisma Joule naukowcy wykazali, że odpowiednio wytworzony gradient temperatury po obu stronach stałego elektrolitu może skutecznie hamować wzrost dendrytów.
Podgrzewanie jednej strony elektrolitu i jednoczesne chłodzenie drugiej prowadzi do powstania naprężeń mechanicznych. Cieplejsza część materiału chce się rozszerzyć, ale chłodniejsza ją „blokuje”, wywołując kompresję. To właśnie ona okazuje się skuteczną barierą dla dendrytów.
– Już przy różnicy temperatur rzędu 20 stopni Celsjusza zaobserwowaliśmy trzykrotny wzrost krytycznej gęstości prądu – powiedział Zikang Yu, doktorant i główny autor badania.
W praktyce oznacza to, że bateria może być ładowana znacznie szybciej, bez ryzyka uszkodzenia. W eksperymentach wykorzystano elektrolit LLZTO – materiał o wysokiej przewodności jonowej, ale znany z podatności na tworzenie dendrytów. Tym bardziej zaskakujące okazały się wyniki: nawet w tak „trudnym” materiale termiczna kompresja skutecznie ograniczała penetrację dendrytów.
Profesor Brian Sheldon, współautor pracy, podkreśla, że klucz tkwi w kontrolowanym zarządzaniu temperaturą.
– Jeśli ogrzewamy jedną stronę bardziej niż drugą, powstaje ściskanie materiału. I właśnie to ściskanie robi całą robotę – tłumaczy Brian Sheldon.
Co ważne, naukowcy nie traktują swojego odkrycia wyłącznie jako laboratoryjnej ciekawostki. Ich zdaniem podobne gradienty temperatury można w przyszłości wytwarzać w realnych bateriach, wykorzystując istniejące systemy zarządzania ciepłem, które i tak są niezbędne podczas ładowania i rozładowywania ogniw.
– Każda bateria generuje ciepło. My pokazujemy, że można je wykorzystać nie tylko do chłodzenia, ale też do poprawy trwałości i wydajności – podkreśla Yu.
Zespół zapowiada dalsze prace nad optymalizacją materiałów i warunków pracy ogniw. Jak zauważa Chenjie Gan, współautor badania, eksperymenty potwierdziły wcześniejsze modele teoretyczne i otworzyły drogę do projektowania baterii, które w pełni wykorzystają ten efekt.
Jeśli te obietnice się potwierdzą, baterie litowe półprzewodnikowe mogą wreszcie zrobić krok z laboratoriów na linie produkcyjne – a ciepło, dotąd postrzegane głównie jako problem, stanie się ich sprzymierzeńcem.
Źródło: Brown University
Czytaj też: Chemicy zagłębiają się w przyczynę choroby Alzheimera. Jest szansa na przełom
Grafika tytułowa: Roberto Sorin / Unsplash
