Výzkumníci z Harvardské školy John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vyvinuli lithium-kovovou baterii. Tu lze nabít a vybít nejméně 6 000 krát – více než kterýkoli jiný pouzdrový bateriový článek.
Lithiové kovové baterie by mohly nabídnout mnohem lepší hustotu energie a mnohem nižší hmotnost než lithium-iontová technologie. To zejména díky nahrazení těžšího grafitu lithiovým kovem jako anodou. Jednou z největších výzev při konstrukci těchto baterií je však tvorba dendritů na povrchu anody. Ty způsobují rychlou degradaci baterie, zkrat a dokonce i vznícení.
Výzkumníci z Harvardu John A. Paulson SEAS vyvinuli novou lithium-kovovou baterii, která vydrží nejméně 6 000 nabíjecích cyklů a lze ji dobít během několika minut.
Jejich výzkum nejen popisuje nový způsob výroby polovodičových baterií s lithiovou kovovou anodou, ale také nabízí nové pochopení reakce na rozhraní mezi lithiem a materiály na anodě u těchto typů baterií.
„Lithiové kovové anodové baterie jsou považovány za svatý grál. A to proto, protože mají desetkrát větší kapacitu než komerční grafitové anody. A mohly by zejména drasticky prodloužit dojezdovou vzdálenost elektrických vozidel,“ řekl Xin Li, docent materiálové vědy na SEAS. ,,Náš výzkum je důležitým krokem k praktičtějším polovodičovým bateriím pro průmyslové a komerční aplikace.“
Lithiové kovové anodové baterie pro elektrické vozy
V roce 2021 Li a jeho tým nabídli jeden způsob, jak se vypořádat s dendrity, navržením vícevrstvé baterie. Ta mezi anodu a katodu vložila různé materiály s různou stabilitou. Tato vícevrstvá konstrukce z mnoha materiálů zabránila pronikání dendritů lithia jejich úplným zastavením, ale spíše jejich kontrolou a zadržováním.
V novém výzkumu Li a jeho tým zastavili tvorbu dendritů pomocí mikronových částic křemíku v anodě, aby omezily lithiační reakci. A zejména usnadnily homogenní pokovení silné vrstvy lithiového kovu.
V tomto provedení, když se ionty lithia během nabíjení pohybují z katody na anodu, je lithiační reakce omezena na mělkém povrchu. A ionty se přichytí k povrchu křemíkové částice, ale neproniknou dále.
Provedení a design
„V našem designu se kov lithia obalí kolem křemíkové částice, jako skořápka tvrdé čokolády kolem jádra lískového ořechu v čokoládovém lanýži,“ řekl Li.
Tyto potažené částice vytvářejí homogenní povrch, přes který se proudová hustota rovnoměrně rozloží, což zabraňuje růstu dendritů. A protože pokovování a odizolování může na rovném povrchu proběhnout rychle, baterie se může dobít za pouhých 10 minut.
Výzkumníci vytvořili verzi baterie o velikosti poštovní známky. Ta je 10 až 20 krát větší než mince vyrobená ve většině univerzitních laboratoří. Baterie si po 6 000 cyklech zachovala 80 % své kapacity. Čímž překonala ostatní pouzdrové články na dnešním trhu, uvedli výzkumníci. Výsledky zveřejnili v ,,Rychlém cyklování lithiového kovu v polovodičových bateriích pomocí anodových materiálů citlivých na sevření,“ publikovaných v přírodních materiálech.
Charakterizace křemíku
Tato technologie prošla licencí prostřednictvím Harvard Office of Technology Development společnosti Adden Energy, harvardské spinoff společnosti, kterou spoluzaložil Li a tři absolventi Harvardu. Společnost rozšířila technologii, aby vytvořila pouzdrový článek velikosti chytrého telefonu.
Li a jeho tým také charakterizovali vlastnosti, které umožňují křemíku omezit difúzi lithia, aby se usnadnil dynamický proces upřednostňující homogenní pokovování tlustého lithia. Poté definovali jedinečný deskriptor vlastností pro popis takového procesu a vypočítali jej pro všechny známé anorganické materiály. Při tom tým odhalil desítky dalších materiálů, které by mohly potenciálně poskytnout podobný výkon.
,,Předchozí výzkum zjistil, že jiné materiály, včetně stříbra, by mohly sloužit jako dobré materiály na anodě pro baterie v pevné fázi,“ řekl Li. ,,Náš výzkum vysvětluje jeden možný základní mechanismus procesu a poskytuje cestu pro konstrukci k identifikaci nových materiálů.“
Zdroj: pv-magazine, Vapol
