Znajdź zawartość

Nowa elektroda, opracowana na MIT, pozwoli na zbudowanie akumulatorów, które przechowują więcej energii i pracują dłużej. Litowa anoda to efekt współpracy naukowców z MIT ze specjalistami z Hongkongu, Florydy i Teksasu. Jednym z największych problemów ze współczesnymi akumulatorami wynika z faktu, że w miarę ładowania akumulatora lit się rozszerza, a podczas rozładowywania kurczy się. Te ciągłe zmiany rozmiarów prowadzą do pękania lub odłączania się elektrolitu. Inny problem stanowi fakt, że żaden z używanych stałych elektrolitów nie jest tak naprawdę chemicznie stabilny w kontakcie z wysoko reaktywnym litem, ulega więc degradacji. Większość badań, mających na celu rozwiązanie tych problemów, poszukuje stabilnego elektrolitu. To jednak jest trudne. Naukowcy z MIT podeszli do problemu inaczej. Wykorzystali dwa dodatkowe materiały. Jeden nazwali „zmieszanymi przewodnikami jonowo-elektronicznymi” (MIEC), a drugi to „izolatory elektronu i jonu litowego” (ELI). Uczeni stworzyli trójwymiarową nanostrukturę przypominająca plaster miodu. Została ona zbudowana z heksagonalnych rurek MIEC częściowo wypełnionych litem. W każdej z rurek pozostawiono nieco wolnego miejsca. Gdy lit się rozszerza podczas ładowania, wypełnia puste miejsca w rurkach, poruszając się jak ciecz, mimo że zachowuje przy tym krystaliczną strukturę ciala stałego. Przepływ ten łagodzi naprężenia powstające podczas rozszerzania się litu, ale jednocześnie nie powoduje ani zmiany zewnętrznych rozmiarów elektrody, ani zmiany jej styku z elektrolitem. Drugi zaś ze wspomnianych materiałów, ELI, jest kluczowym mechanicznym łączem pomiędzy ściankami MIEC a stałym elektrolitem. Rozszerzający się i kurczący lit przemieszcza się tak, że nie wywiera nacisku na elektrolit, więc go nie niszczy. Twórcy anody porównują to do tłoków poruszających się w cylindrach. Jako, że całość jest jest zbudowana w skali nano, a każda z rurek ma średnicę 100-300 nanometrów, całość jest jak silnik z 10 miliardami tłoków, mówi główny autor badań, profesor Ju Li. Jako, że ścianki całej struktury wykonano z chemicznie stabilnego MIEC, lit nigdy nie traci kontaktu z materiałem. Cały akumulator pozostaje więc mechanicznie i chemiczne stabilny, dodaje Li. Naukowcy przetestowali swoją anodę podczas 100 cykli ładowania/rozładowywania i wykazali, że w elektrolicie nie powstały żadne pęknięcia. Naukowcy twierdzą, że ich projekt pozwoli na stworzenie akumulatorów litowych, w których anoda będzie 4-krotnie lżejsza na jednostkę pojemności niż obecnie. Jeśli dodamy do tego nowe pomysły na lżejszą katodę, całość może prowadzić do znaczącego obniżenia wagi akumulatora. Dzięki nowemu akumulatorowi nowoczesne smartfony można by ładować raz na 3 dni. « powrót do artykułu

Na Northwestern University powstała nowa anoda dla akumulatorów litowo-jonowych. Umożliwia ona przechowywanie 10-krotnie więcej ładunku niż obecne elektrody, a sam akumulator można załadować 10-krotnie szybciej. Odkryliśmy sposób na dziesięciokrotne wydłużenie życia baterii litowo-jonowej. Nawet po 150 cyklach ładowania/rozładowywania, co zajmie rok lub więcej, nasz akumulator będzie pięciokrotnie bardziej wydajny niż współcześnie stosowane rozwiązania - mówi profesor Harold H. Kung. Współczesne baterie litowo-jonowe działają dzięki przesyłaniu jonów litu pomiędzy dwoma elektrodami - anodą i katodą. Gdy używamy energii, jony litu przemieszczają się z anody, przez elektrolit, do katody. Gdy ładujemy akumulator, podróż odbywa się w odwrotną stronę. Obecnie wydajność akumulatorów Li-Ion jest ograniczona dwoma czynnikami. Ich pojemność zależy od tego, jak wiele jonów litu może przechować anoda lub katoda. Z kolei prędkość rozładowywania, a zatem dostarczania energii, zależy od prędkości przemieszczana się jonów pomiędzy elektrolitem a anodą. We współczesnych akumulatorach anoda wykonana jest z węgla i na każde 6 jego atomów przechowuje jeden atom litu. Eksperymentowano z zastąpieniem węgla krzemem, który ma większą pojemność, gdyż przechowuje atom litu na każde 4 atomy krzemu. Jednak podczas pracy krzem znacznie zmienia swoje rozmiary, co prowadzi do uszkodzenia elektrody i spadku pojemności baterii. Ponadto poszczególne warstwy węgla w elektrodzie są bardzo cienkie, jednak długie. Podczas procesu ładowania każdy jon musi przebyć całą drogę od krawędzi by dotrzeć do kolejnych warstw. To zajmuje sporo czasu, a ponadto powoduje, że na krawędziach powstaje „korek" z jonów oczekujących na możliwość wyruszenia w drogę. Zespół Kunga postanowił za jednym zamachem rozwiązać oba problemy. Po pierwsze warstwy krzemu poprzedzielał warstwami węgla. Mamy dzięki temu znacznie większą pojemność energii, gdyż wykorzystaliśmy krzem, a jego poprzedzielanie zmniejszyło straty pojemności spowodowane rozszerzaniem się i kurczeniem krzemu - wyjaśnia Kung. Uczeni wykorzystali też proces utleniania do uzyskania niewielkich (10x20 nanometrów) dziur w warstwach węgla. Dziury te tworzą skróty, dzięki którym jony litu nie muszą podróżować przez całą warstwę. Pozwoliło to na 10-krotne skrócenie czasu ładowania baterii. Po udoskonaleniu anody uczeni chcą zająć się pracami nad katodą. Mają też zamiar opracować nowy elektrolit, który będzie powodował, że w wysokich temperaturach akumulator automatycznie przerwie pracę, dzięki czemu będzie bezpieczniejszy w użytkowaniu. Technologia Kunga i jego zespołu powinna trafić na rynek w ciągu 3-5 lat.

Inżynierowie z Lawrence Berkeley National Laboratory opracowali anodę dla baterii litowo-jonowych, która potrafi przechowywać do ośmiu razy więcej jonów litu niż inne tego typu urządzenia. Prowadzone przez ponad rok testy wykazały, że nowa anoda nie straciła w tym czasie zdolności do przyjmowania jonów i wytrzymała setki cykli ładowani/rozładowywania. Kluczem do sukcesu było opracowanie nowego polimeru, który dobrze przewodzi ładunki elektryczne i wiąże je z cząsteczkami krzemu. Anodę stworzono z tanich materiałów, jej koszt jest porównywalny z kosztem anody w obecnie używanych bateriach. Gao Liu z LBNL zauważył, że sporym problemem dla konstruktorów anod było zwiększanie się objętości materiału podczas przyjmowania jonów i jego kurczenie się w miarę rozładowywania baterii. Większość dzisiejszych baterii litowo-jonowych ma anody zbudowane z grafitu, który tylko umiarkowanie zwiększa swoją objętość podczas przechowywania jonów. Krzem może przechowywać ich 10-krotnie więcej, ma największą pojemność ze znanych nam materiałów wykorzystywanych do budowy baterii litowo jonowych. Jednak problem w tym, że aż trzykrotnie zwiększa on swoją objętość - mówi Liu. Tak znaczna zmiana objętości powoduje zaś przerwanie połączeń elektrycznych. Dlatego też wielu naukowców z całego świata stara się opracować krzemową anodę, która z jednej strony będzie bardzo pojemna, a z drugiej - podczas pracy nie dojdzie do przerwania połączeń. Zaproponowano już kilka rozwiązań, w tym i niezwykle kosztowne pomysły. Jeden z tanich pomysłów polegał na mieszaniu cząsteczek krzemu z elastycznym polimerem oraz dodawanie sadzy, która miała odpowiadać za przewodzenie prądu. Niestety okazało się, że wielokrotne puchnięcie i chudnięcie krzemu powoduje wytrącenie cząsteczek węgla z mieszaniny. Naukowcy doszli do wniosku, że trzeba wykorzystać elastyczny polimer, który sam potrafi przewodzić prąd. Oczywiście przewodzące polimery istnieją nie od dzisiaj, jednak nie tworzono ich z myślą o wykorzystaniu w bateriach, nic zatem dziwnego, że ulegały one zniszczeniu lub traciły swoje właściwości po umieszczeniu w tego typu urządzeniach. Liu i Shidi Xun postanowili wykorzystać polimery bazujące na polifluorenie (PF). Eksperymentowali z różnymi składami polimeru i badali za pomocą mikroskopu elektronowego to, co dzieje się z materiałem. Opracowali w końcu taki PF, który nie tylko wykazuje pożądane właściwości, ale jest przy okazji tani i łatwy w produkcji. Jest on również kompatybilny z istniejącymi technikami produkcyjnymi, dzięki czemu, jak poinformował Liu, już spotkał się z zainteresowaniem dużych firm. Pomimo optymistycznych wieści musimy pamiętać, że anoda jest tylko jednym z kilku elementów baterii, które wymagają znacznego udoskonalenia.