Surastas būdas, leidžiantis 10 kartų padidinti ličio jonų akumuliatorių efektyvumą  (11)

Šiaurės vakarų universiteto (JAV) mokslininkai surado būdą kaip būtų galima patobulinti dabartinius ličio jonų akumuliatorius: po patobulinimų akumuliatoriaus talpa padidėtų net 10 kartų, o įkrovimo laikas, lyginant su dabartiniais akumuliatoriais, sumažėtų irgi 10 kartų.

Mokslininkai visą dėmesį sutelkė į ličio jonų akumuliatorių anodą ir jį tobulindami siekė vienu ypu pagerinti du pagrindinius akumuliatorių parametrus – energijos talpą ir įkrovimo spartą. Be to, kad galėsime džiaugtis ilgiau veikiančiais mobiliaisiais įrenginiais, mokslininkai žada postūmį kuriant veiksmingesnes ir mažesnes baterijas, skirtas elektromobiliams. Gauti rezultatai, mokslininkų manymu yra ne tik įkvepiantys, bet ir realiai pritaikomi gamyboje, tad patobulintų baterijų galėsime sulaukti per 3-5 metus.

Tyrimų eiga su moksliniais duomenimis publikuoti žurnale „Advanced Energy Materials“.

„Mes aptikome būdą, leidžiantį naujos ličio jonų baterijos veikimo trukmę prailginti 10 kartų, – pasakoja pagrindinis straipsnio autorius Haroldas Kungas. – Netgi po 150 įkrovimų, kas atitinka maždaug vienerių metų naudojimosi laikotarpį, naujosios konstrukcijos baterija yra vis dar 5 kartus veiksmingesnė už dabar parduodamas ličio jonų baterijas“. H. Kungas yra Šiaurės vakarų universiteto Makormiko inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos cheminės ir biologinės inžinerijos profesorius.

Ką gi tokio mokslininkai patobulino? Norint tai išsiaiškinti, reiktų prisiminti kaip veikia tipinis ličio jonų akumuliatorius. Taigi, ličio jonų baterijos yra įkraunamos cheminės reakcijos metu verčiant ličio jonus judėti iš vieno baterijos galo į kitą. Kuomet baterija yra naudojama, ličio jonai elektrolitu juda iš anodo į katodą. Kai vyksta įkrovimo procesas, judėjimas pakeičia savo kryptį į priešingą.

Akumuliatoriaus įkrovimo metu ličio jonai kaupiami anode. Akumuliatoriaus talpa tiesiogiai priklauso nuo to, kiek ličio jonų sugeba sukaupti anodas. Šiuolaikiniuose akumuliatoriuose anodą sudaro daugybė grafito sluoksnių (tiesa, jie tokie ploni, jog galima kalbėti ne tiek apie grafitą, o apie grafeną – vieno atomo storio anglies plokšteles). Tokiuose anoduose šeši anglies atomai sugeba išlaikyti vieną ličio joną. Tai daug ar mažai? Palyginimui – jei anodas būtų sudarytas iš silicio, tuomet vienas silicio atomas išlaikytų net keturis ličio jonus. Tokiu atveju akumuliatoriaus talpa akivaizdžiai išaugtų kelis kartus.

Tai kodėl akumuliatoriuose nenaudojami silicio anodai? Bėda ta, kad pagaudamas ir atiduodamas ličio jonus silicis labai plečiasi ir traukiasi – dėl to elektrodas greitai suyra ir tuo pačiu labai stipriai mažėja akumuliatoriaus talpa.

Kitą svarbų parametrą – baterijos įkrovimo spartą – gerokai apriboja anglies lakštų forma: kaip jau minėjome, šie yra labai ploni (paprastai vos vieno anglies atomo storio), bet palyginti išsitęsę. Įkrovimo metu, prieš patekdamas tarp anglies lakštų, ličio jonas privalo nukeliauti visą atstumą iki jų pakraščio. Kadangi ličio jonui prireikia nemažai laiko, kol šis pasiekia lakšto vidurį, aplink medžiagos pakraščius susidaro savotiški jonų kamščiai.

H. Kungo vadovaujama komanda suderino dvi technologijas, kad galėtų susidoroti su šiomis problemomis. Pirma, tam, kad stabilizuotų silicį (nes ši medžiaga užtikrina didžiausią krūvininkų talpyklą), mokslininkai silicio klasterius įterpė į tarplakštines anglies sritis. Tokiu atveju gautas tarsi sutvirtintas anodas – silicis naudojamas krūvio kaupimui, o anglies struktūros – kaip laikančioji konstrukcija. Tai padeda sukaupti daugiau ličio jonų elektrode, tuo pačiu išnaudojamas anglies lakštų lankstumas, kuris leidžia kompensuoti silicio plėtimosi efektą.

„Dabar mes praktiškai turime geriausią galimą derinį, – tęsia mokslininkas. – Silicis užtikrina žymiai didesnį energijos tankį, o apribojimas anglies lakštais sumažina talpos sumažėjimą, kurį sukelia silicio susitraukimas ir išsiplėtimas. Netgi jeigu silicio klasteriai subyrėtų, anglies plokštelės išlaikytų stabilią anodo struktūrą“.

H. Kungo vadovaujama komanda taip pat panaudojo oksidacijos procesą, kad anglies lakštuose sukurtų mažytes (nuo 10 iki 20 nanometrų skersmens) skylutes. Taip siekiama, kad ličio jonai turėtų kur kas trumpesnį priėjimą prie anodo, kuriame sąveikauja su siliciu. Tai leido baterijos įkrovimo laiką sumažinti netgi 10 kartų.

Viso šio tyrimo metu mokslininkai nagrinėjo tiktai anodą. Toliau tyrėjai ketina imti katodo, mat tikisi, jog tai irgi leis padidinti baterijų veiksmingumą. Jie mąsto ir apie elektrolito sistemos tobulinimą, kuris, pasiekus tam tikrą temperatūrą, leistų baterijai išsijungti automatiškai. Toks saugumo mechanizmas labai svarbus konstruojant elektromobilius.

Aut. teisės: MokslasPlius
MokslasPlius

(9)
(4)
(5)

Komentarai (11)