Przełom w technologii baterii metalowych
Chalmers University of TechnologyBaterie metalowe mogą potencjalnie dostarczać więcej energii przy niższej wadze niż popularne baterie litowo-jonowe. Problem polega jednak na tym, że technologia ta ma obecnie zbyt krótką żywotność ze względu na wysoce reaktywny charakter metalu litu w tych bateriach. Nowe badania przeprowadzone przez Chalmers University of Technology w Szwecji pokazują, gdzie leżą problemy i jak je przezwyciężyć, tworząc metalową elektrodę bezpośrednio w ogniwie baterii.
Baterie litowo-jonowe są obecnie najpopularniejszą opcją baterii, ale w społeczeństwie stojącym w obliczu powszechnej elektryfikacji potrzebne są nowe technologie baterii, które mogą zapewnić więcej energii w przeliczeniu na wagę lub objętość. Jest to ważne dla rozwoju samochodów elektrycznych o większym zasięgu lub samolotów elektrycznych na krótszych dystansach. Dlatego też obecnie zwraca się uwagę na akumulatory z metalowymi elektrodami, w których grafitowa elektroda akumulatora litowo-jonowego została zastąpiona litowo-metalową. Na przykład baterie półprzewodnikowe, postrzegane jako jedna z najbardziej obiecujących nadchodzących technologii, wykorzystują metalową elektrodę i zapewniają ogniwa, które dostarczają większą ilość energii niż dzisiejsze baterie litowo-jonowe. Metalowe elektrody mają jednak jeden problem - metal jest reaktywny, co oznacza, że łatwo reaguje z otoczeniem i trudno jest stworzyć długotrwałe ogniwo.
Baterie metalowe są jednym z obszarów zainteresowania grupy badawczej profesora Aleksandara Matica na Wydziale Fizyki w Chalmers. Był to pierwszy zespół badawczy, który wykorzystał promieniowanie rentgenowskie 3D do monitorowania zachowania litu w baterii litowo-metalowej w czasie rzeczywistym podczas użytkowania. Eksperymenty te doprowadziły do nowego spojrzenia na kluczowy problem, który pojawia się w tego typu bateriach - mianowicie, że lit tworzy „dendryty” lub nierówne struktury podczas ładowania i rozładowywania, co z czasem wpływa na stabilność i działanie baterii.
Unika warstw powierzchniowych, które uszkadzają metalową elektrodę
Są to spostrzeżenia, na których naukowcy nadal się opierają. Niedawno zaprezentowali swoje wyniki badań nad bateriami metalowymi w Journal of The Electrochemical Society, pokazując prosty sposób na uniknięcie tworzenia się warstwy powierzchniowej na reaktywnej elektrodzie metalowej, co pogarsza żywotność baterii. Ich wyniki wskazują na przyszłe strategie mające na celu uczynienie baterii metalowych zarówno bardziej stabilnymi, jak i bezpieczniejszymi.
– Pracujemy w bardzo obojętnym środowisku, ale nawet tam metal znajduje coś, z czym może reagować i tworzy się warstwa powierzchniowa, która wpływa na zachowanie metalu w akumulatorze. Zauważyliśmy jednak, że reakcji tych można uniknąć za pomocą bardzo prostych środków: zamiast zajmować się reaktywnymi materiałami elektrodowymi na zewnątrz baterii, tworzymy naszą elektrodę wewnątrz baterii w procesie zwanym galwanizacją. Pozwala nam to uniknąć reakcji reaktywnego metalu ze środowiskiem, co jest zaletą, ponieważ otrzymujemy bardziej przewidywalną i stabilną elektrodę – mówi Josef Rizell, doktorant na Wydziale Fizyki w Chalmers, który jest głównym autorem najnowszej pracy wraz z Aleksandarem Maticem.
Znalezienie obiecujących strategii dla wydajności baterii
– Fundamentalne zrozumienie procesów zachodzących w elektrodach akumulatora i wokół nich - podczas ładowania i rozładowywania - ma kluczowe znaczenie dla opracowania lepszych akumulatorów w przyszłości. Akumulator jest bardzo złożony i wiele różnych rzeczy dzieje się równolegle, co utrudnia analizę systemu. Staraliśmy się wyizolować każdą reakcję lub proces osobno i zbadać, w jaki sposób ten konkretny proces wpływa na funkcjonowanie baterii. Celem jest lepsze zrozumienie tego, co dzieje się na metalowej elektrodzie, gdy używamy baterii, a tym samym, które strategie są najbardziej obiecujące, aby poprawić ich działanie – mówi Josef Rizell.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Rządowa inicjatywa dotycząca baterii
Badanie jest jednym z wielu prowadzonych w Chalmers w zakresie badań nad bateriami. Aleksandar Matic jest dyrektorem Compel w Chalmers, inicjatywy rządowej, która obejmuje zwiększone finansowanie badań i edukacji w zakresie elektryfikacji i technologii akumulatorów w Chalmers, Uppsala University i Lund University.
– Tego typu podstawowe badania są ważne, aby utorować drogę dla nowych koncepcji i technologii akumulatorów. Bez nich można jedynie próbować różnych rzeczy, na przykład orientować się bez mapy. To tutaj kładziemy podwaliny pod przyszłe innowacje, które przyczyniają się do zrównoważonego rozwoju społecznego. Baterie już teraz stanowią kluczowy element tego rozwoju, a ich znaczenie w przyszłości jeszcze wzrośnie – mówi Aleksandar Matic.
Jak powstaje elektroda w akumulatorze
Metal może być wytwarzany elektrochemicznie w procesie zwanym galwanizacją. Napięcie kieruje elektrony do elektrody, a metal tworzy się na jej powierzchni w wyniku reakcji elektronów z jonami elektrolitu. Podczas ładowania metalowej baterii zachodzi właśnie taka reakcja. Ten sam proces można również wykorzystać do wytworzenia metalowej elektrody bezpośrednio w ogniwie akumulatora. Tworząc metalową elektrodę wewnątrz baterii, metal nigdy nie ma możliwości reagowania z zanieczyszczeniami poza baterią i ma lepszą i bardziej stabilną warstwę powierzchniową.
Źródło: Chalmers University of Technology
