Nowatorski akumulator

[KopalniaWiedzy.pl 358]

Podczas każdego z cykli ładowania i rozładowania elektrody we współczesnych akumulatorach litowo-jonowych zmieniają swoją objętość. Czasem nawet zwiększają ją dwukrotnie. Proces ten powoduje zmiany w zewnętrznej okładzinie elektrod, ubytki litu i - w efekcie - spadek wydajności akumulatora. Naukowcom z MIT-u i chińskiego Uniwersytetu Tshinghua udało się zaradzić temu problemowi. Stworzyli oni elektrodę zbudowaną z nanocząstek zamkniętych w sztywnej obudowie. Wewnętrzna część elektrody może zmieniać swój rozmiar, ale nie ma to wpływu na obudowę. Jeśli koncepcja się sprawdzi, może doprowadzić do drastycznego zwiększenia żywotności i pojemności akumulatorów.

Kluczowym elementem nowej koncepcji jest zastosowanie glinu w anodzie. Nanocząstki są w nim zanurzone i to on zmienia rozmiar. Obudowa każdej nanocząstki została stworzona z ditlenku tytanu. Taka konstrukcja to zdecydowane odejście od dzisiejszych koncepcji. Olbrzymia część współczesnych akumulatorów litowo-jonowych wykorzystuje anody z grafitu. Ich pojemność wynosi 0,35 amperogodzin na gram. Specjaliści od wielu lat poszukują alternatyw dla grafitu. Wiadomo na przykład, że pojemność litu jest 10-krotnie większa niż grafitu, jednak lit jest niezwykle niebezpieczny, łatwo dochodzi w nim do krótkich spięć czy samozapłonu. Z kolei krzem i cyna, które również mają bardzo dużą pojemność, charakteryzuje gwałtowny spadek pojemności w przypadku szybkiego ładowania i rozładowywania. Glin z kolei ma pojemność 2 Ah/gram, jednak bardzo mocno rozszerza się podczas przyjmowania litu, a później, wraz z jego uwalnianiem, mocno się kurczy. Duża rozszerzalność glinu powoduje przerwanie połączeń, elektrolit ulega rozkładowi, tworzy się warstwa SEI (solid-electrolyte interphase), której fragmenty odpadają w czasie kurczenia się i rozszerzania anody.

Amerykańscy i chińscy uczeni wpadli na pomysł stworzenia czegoś na kształt jajka, ze sztywną skorupką i płynnym wnętrzem, które może się rozszerzać nie wpływając na skorupkę. Skorupkę zbudowaliśmy z ditlenku tytanu, który oddziela glin od płynnego elektrolitu. Jako, że obudowa nie ulega większym zmianom, tworząca się na niej warstwa SEI jest bardzo stabilna, nie rozpada się i nie przyczynia do degradacji całości. W ten sposób powstała elektroda, która przy normalnym tempie ładowania ma pojemność 1,2 Ah/g. Akumulator można również ładować bardzo szybko, w ciągu 6 minut może być w całości załadowany. W takim przypadku po 500 cyklach ładowania/rozładowania pojemność elektrody wciąż jest na dobrym poziomie 0,66 Ah/g.

« powrót do artykułu