R&D magazine
2018_263_11
Od pametnih telefonov pa do električnih vozil številne današnje naprave poganjajo litij-ionske baterije. To pomeni, da morajo potrošniki imeti pri roki tudi polnilnike. Baterija iPhone telefona zdrži samo 21 ur pogovora, Teslin model S pa ima doseg 335 milj, kar pomeni, da bi lahko pričakovali neprekinjeno vožnjo od Newarka, Delawareja do Providence, Rhode Islanda, vendar pa ne vse do Bostona z enim polnjenjem.
Znanstveniki po vsem svetu – tudi izumitelj litij-ionskih baterij sam, John Goodenough – iščejo varnejše, lažje in močnejše načine za polnjenje baterij.
Mednarodna ekipa raziskovalcev, ki jo vodi Bingqing Wei, profesor strojništva na Univerzi v Delawarju in direktor Centra za gorivne celice in baterije, dela na tem, da bi lahko postavili temelje za bolj razširjeno uporabo litijevih kovinskih baterij ki bi imela več zmogljivosti kot litij-ionske baterije, ki se danes uporabljajo v široko potrošniški elektroniki. Ekipa je razvila metodo za ublažitev tvorbe dendritov v litijevih kovinskih baterijah, ki so jih opisali v članku, objavljenem v Nano Letters.
Obljuba (in pasti) litijevih kovinskih baterij
V litij-ionski bateriji je anoda oziroma pol, ki ustvarja tok, izdelana iz materiala, kot je grafit, z vezanimi litijevimi ioni. Litijevi ioni prehajajo na katodo ali stran, ki zbira tok.
V litijevi kovinski bateriji je anoda izdelana iz litijeve kovine. Elektroni tečejo od anode do katode in proizvajajo električno energijo. Polnilne baterije iz litijeve kovine imajo veliko obljub, ker je litij najbolj električno pozitivna kovina in ima zelo veliko kapaciteto.
“Teoretično je kovina litij ena najboljših rešitev za baterije, vendar jo je v praksi težko obvladovati,” je dejal Wei.
Litij kovinski akumulatorji so bili do sedaj neučinkoviti, nestabilni in so celo zagoreli. Njihovo zmogljivost ovirajo litijev dendrit, tiste oblike, ki izgleda kot drobni stalagmiti iz litijevih nanosov. Ker se baterija uporablja, se na anodi nabirajo litijevi ioni. Sčasoma deponije litija postanejo neenotne, kar vodi do oblikovanja teh dendritov, kar lahko povzroči kratek stik baterije.
Novo razumevanje
Raziskovalne skupine po vsem svetu so poskusile različne tehnike za zatiranje nastanka in rasti teh dendritov. Po študiju literature je Wei ugotovil, da skoraj vse uporabljene tehnike lahko damo pod isti imenovalec: uvajanje plasti poroznega materiala v sistem lahko odvrne dendrite od zbiranja na anodi.
Z uporabo matematičnega modeliranja je raziskovalna skupina ugotovila, da je porozen material zatiral začetek in rast dendritov. Dendriti, ki so se oblikovali, so bili 75 odstotkov krajši od tistih, ki so nastali v sistemih, ki niso imeli porozne membrane. Da bi še dodatno dokazali ugotovitev, je ekipa izdelala membrano iz majhnih žic poroznega silicijevega nitrida, ki je merila manj kot milijoninko metra. Nato so to membrano vključili v litijske kovinske celice v akumulatorju in jo poganjali 3.000 ur. Noben dendrit ni zrasel.
“To temeljno razumevanje morda ni omejeno na silicijev nitrid, ki smo ga uporabljali,” je dejal Wei. “Tudi druge porozne strukture lahko to storijo.”
Še več, to načelo se lahko razširi tudi na druge akumulatorske sisteme, kot so baterije na osnovi cinka ali kalija, je dejal.
“Na tem področju kovinskih baterij je to ažurno razumevanje,” je dejal. “To je delo, ki bi lahko imelo velik vpliv”.
Povzeto po: https://www.rdmag.com/news/2018/04/ultra-powerful-batteries-made-safer-more-efficient
