Vědci ve Spojených státech vyvinuli inovativní metodu pro pozorování vnitřního fungování lithium-iontových baterií. A zjistili, že praskliny, které se tvoří v elektrodě – něco, co se výrobci snaží minimalizovat – mohou mít ve skutečnosti výhody v tom, že umožňují rychlejší nabíjení. Práce také zpochybňuje předpoklady o tom, jak se určité částice chovají uvnitř baterie, s potenciálními důsledky pro jejich budoucí design.
Pro energetickou transformaci, elektrifikaci dopravy a desítky dalších technologických oblastí je relativně krátká životnost dnešních bateriových technologií trvalou překážkou.
Praskliny tvořící se v elektrodách baterií jsou jednou z příčin ztráty výkonu v průběhu času a problémem, který se mnoho výrobců snaží vyvinout z baterií pomocí nových materiálů odolnějších proti popraskání. Zveřejněný výzkum však naznačuje, že odstranění popraskání na katodě může mít nežádoucí vedlejší účinek.
„Mnoho společností se zajímá o výrobu ‚milionových‘ baterií pomocí částic, které nepraskají,“ vysvětlil Yiyang Li, odborný asistent materiálové vědy a inženýrství na University of Michigan. ,,Bohužel, pokud se tyto praskliny odstraní, částice baterie se nemohou rychle nabít bez další plochy z těchto prasklin.“
Popraskané katody nejsou úplně špatně, zjistili vědci
Konvenční moudrost říká, že rychlost nabíjení baterií se má zlepšit použitím katod vyrobených z menších částic. Protože tyto mají vyšší poměr plochy povrchu k objemu. Což zkracuje vzdálenost, kterou musí lithium-ionty urazit.
Li a kolegové tento předpoklad otestovali pomocí sofistikovaných technik ke sledování chování jednotlivých částic při nabíjení baterie. „Když jsem byl na postgraduální škole, kolega studující neurovědy mi ukázal tato pole, která používali ke studiu jednotlivých neuronů. Napadlo mě, jestli je můžeme použít také ke studiu částic baterií, které jsou svou velikostí podobné neuronům,“ řekl Li.
Testování podle sofistikovaných technik
Nastavení zahrnovalo čip 2×2 cm obsahující 100 mikroelektrod, na které skupina rozptýlila částice nikl-mangan-kobaltové katody (NMC). Pomocí jehly, která je podle nich „přibližně 70 krát tenčí než lidský vlas“, mohli vědci přesunout jednotlivé částice na elektrodu. Což jim umožní nabíjet a vybíjet částice jednotlivě. Skupina pracovala s materiálem NMC „532“, obsahujícím 50 % niklu, 30 % manganu a 20 % kobaltu. A uvedla, že by očekávali podobné výsledky pro jakýkoli typ katody NMC.
Experiment se plně popsal v článku „Přímá měření difúze lithia a reakčních časů nezávislých na velikosti v jednotlivých částicích polykrystalických baterií“. Ten se publikoval v Energy & Environmental Science. Výsledky ukázaly, že rychlost nabíjení neovlivní velikost částic.
Li a Jinhong Min, kteří experimenty prováděli, se domnívají, že by to mohlo být způsobeno tím, že větší částice se chovají spíše jako shluk malých částic. A to když katoda praskne, nebo že lithium-ionty se mohou rychleji pohybovat na hranici zrn. ,,Naše výsledky převracejí dominantní obrázek transportu lithia v nejrozšířenějším katodovém materiálu,“ uvedli oba. ,,Pokud je tento model krakování elektrolytem přesný, pak naše výsledky ukazují, že mezikrystalové krakování, o kterém se dlouho věřilo, že je silně škodlivé pro životnost cyklu, je ve skutečnosti nezbytné pro schopnost polykrystalických částic se (vybíjet) při rozumných rychlostech cyklování.“
Zdroj: pv-magazine, Vapol
