Rewolucja w bateriach litowo-metalowych. Obrazowanie 3D ujawnia ich tajne życie
Chalmers University of TechnologyNowatorscy badacze baterii złamali enigmę – wynaleźli bowiem sposób do generowania obrazów 3D w czasie rzeczywistym cyklu baterii litowo-metalowej. Innymi słowy, zespołowi ze szwedzkiego Uniwersytetu Technicznego Chalmersa udało się zaobserwować, jak lit w ogniwie zachowuje się podczas ładowania i rozładowywania. Ta nowa, innowacyjna metoda może przyczynić się do powstania baterii o większej pojemności oraz do zwiększenia bezpieczeństwa w naszych przyszłych samochodach i urządzeniach codziennego użytku.
– Postawiliśmy kolejny krok, aby zrozumieć, a w dłuższej perspektywie zoptymalizować, baterie litowo-metalowe przyszłości. Jeśli jesteś w stanie dokładnie zbadać, co dzieje się z litem w ogniwie podczas cyklu, to zyskujesz tym samym cenną wiedzę na temat tego, co wpływa na jego wewnętrzne funkcjonowanie – mówi prof. Aleksandar Matic, kierownik badania naukowego.
Nadzieje na to, że nowe koncepcje baterii będą w stanie zastąpić dzisiejsze baterie litowo-jonowe, są ogromne. Chodzi o opracowanie wydajniejszych energetycznie i bezpieczniejszych baterii, które pozwolą wielu branżom rozwijać się sprawniej z zachowaniem nowoczesnych wymagań przy niższych kosztach – zarówno finansowych, jak i środowiskowych. Jako obiecujące alternatywy wymienia się m.in.:
- Akumulatory półprzewodnikowe;
- Litowo-siarkowe;
- Litowo-tlenowe.
Wszystkie te koncepcje opierają się na idei, w której anoda akumulatora składa się z litu zamiast dominującego obecnie grafitu. Bez grafitu ogniwo baterii staje się lżejsze, a dzięki metalowi litowemu jako anodzie możliwe jest również zastosowanie materiałów katodowych o dużej pojemności. Dzięki temu uzyskanie 3-5 razy gęstszej energii staje się całkowicie realne.
Lit ma swoją ciemną stronę
Baterie litowo-metalowe mają jednak jeden zasadniczy problem – podczas ładowania lub rozładowywania baterii lit nie zawsze osadza się tak równomiernie, jak powinien. Często tworzy on struktury przypominające mech lub dendryty, czyli kształty zbliżone do igieł. Części osadzonego litu mogą wówczas zostać odizolowane i siłą rzeczy stać się nieaktywne. Co więcej, dendryty mogą również dotrzeć do drugiej elektrody baterii i spowodować zwarcie. Dlatego też kluczowe jest zrozumienie, kiedy, jak i dlaczego tworzą się te struktury.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Aby móc wykorzystać tę technologię w kolejnej generacji baterii, musimy zobaczyć, jak na ogniwo wpływają takie czynniki, jak gęstość prądu, wybór elektrolitu i liczba cykli. Teraz mamy do tego odpowiednie narzędzie – mówi Matthew Sadd, badacz z Chalmers, główny autor nowego badania.
Oczekiwanie w ekscytacji na pierwsze efekty
Eksperyment polegający na obserwacji tworzenia się mikrostruktur litu w działającym ogniwie przeprowadzono w Swiss Light Source pod Zurychem w Szwajcarii. W zapierającym dech w piersiach oczekiwaniu naukowcy przygotowali specjalnie zaprojektowane ogniwo baterii, aby zbadać w 3D w czasie rzeczywistym, kiedy lit się osadza. Udało im się to za pomocą tomograficznej mikroskopii rentgenowskiej.
– Przeżyliśmy coś fantastycznego, gdy zobaczyliśmy na własne oczy, że to zadziałało przy pierwszej próbie. Kiedy obserwowaliśmy lit tworzący te duże, przypominające igły struktury, to czuliśmy się niemal jak uczestnicy pierwszego lądowania na Księżycu. W końcu od tak dawna chcieliśmy obserwować wewnętrzne działanie baterii w czasie rzeczywistym. Teraz możemy – powiedział Aleksander Matic.
Źródło: Chalmers University of Technology
