Badacze opracowali nowy sposób zwiększania wydajności baterii litowo-jonowych

Profesor Nobuyuki Zettsu z Centrum Energii i Nauk o Środowisku na Wydziale Chemii Materiałowej Uniwersytetu Shinshu w Japonii oraz dyrektor ośrodka, profesor Katsuya Teshima, kierował badaniami.

Autorzy opublikowali swoje wyniki online w styczniu tego roku w Scientific Reports.

"Ze względu na pewne charakterystyczne właściwości ciekłych elektrolitów, takie jak mała liczba transportowa litu, złożona reakcja na granicy faz ciało stałe / ciecz i niestabilność termiczna, nie było możliwe jednoczesne osiągnięcie wysokiej energii i mocy w żadnym z obecnych urządzeń elektrochemicznych, "powiedział Nobuyuki Zettsu, jako pierwszy autor na papierze.

Baterie litowo-jonowe można ładować i zasilać takimi urządzeniami jak telefony komórkowe, laptopy, elektronarzędzia, a nawet magazynować energię elektryczną. Są szczególnie wrażliwe na zmiany temperatury i znane są z tego, że powodują pożary, a nawet wybuchy. W odpowiedzi na problemy z elektrolitami ciekłymi naukowcy pracują nad opracowaniem lepszej baterii półprzewodnikowej bez płynu.

"Pomimo spodziewanych zalet baterii półprzewodnikowych, ich charakterystyka mocy i gęstości energii musi zostać poprawiona, aby umożliwić ich zastosowanie w takich technologiach, jak pojazdy elektryczne dalekiego zasięgu", powiedział Zettsu. "Niska wydajność i niska gęstość energii w akumulatorach półprzewodnikowych wynika częściowo z braku odpowiednich stałych i stałych heterogenicznych technologii tworzenia interfejsów, które charakteryzują się wysoką symboliczną przewodnością porównywalną do systemów ciekłego elektrolitu."

Zettsu i jego zespół wyhodowali granatowe tlenkowe kryształy elektrolitu w stopionym LiOH stosowanym jako rozpuszczalnik (topnik) na podłożu, które spajało elektrodę w stanie stałym w miarę ich wzrostu. Specyficzny związek krystaliczny, o którym wiadomo, że rośnie w szyku, pozwala naukowcom kontrolować grubość i obszar połączenia w warstwie, która działa jak ceramiczny separator.

"Obserwacje w mikroskopie elektronowym ujawniły, że powierzchnia jest gęsto pokryta dobrze zdefiniowanymi wielościennymi kryształami, z których każdy jest połączony z sąsiednimi" - napisał Zettsu.

Zettsu powiedział również, że nowo wyhodowana warstwa krystaliczna może być idealnym separatorem ceramicznym podczas układania warstwy elektrolitu na warstwie elektrody.

"Wierzymy, że nasze podejście wykazujące odporność na reakcje uboczne na styku może doprowadzić do powstania idealnych ceramicznych separatorów o cienkim i gęstym interfejsie", napisał Zettsu, zauważając, że ceramika zastosowana w tym konkretnym eksperymencie była zbyt gruba, aby mogła być użyta w litych bateriach. "Jednakże, dopóki warstwa elektrody może być wykonana jako cienka jak 100 mikronów, warstwa układania będzie działać jako stała bateria."

Sto mikronów to w przybliżeniu szerokość ludzkiego włosa i nieco mniej niż podwójna grubość standardowej warstwy elektrody we współczesnych bateriach litowo-jonowych.

"Całkowicie naładowane akumulatory są obiecującymi kandydatami na urządzenia do magazynowania energii", powiedział Zettsu, zauważając, że trwają już liczne projekty współpracy między naukowcami i prywatnymi firmami, których ostatecznym celem jest pokazanie próbek akumulatorów w pełnej masie na Igrzyskach Olimpijskich 2020 w Tokio.

Zettsu i inni badacze planują wyprodukować prototypowe ogniwa do użytku w pojazdach elektrycznych i do urządzeń do noszenia do 2022 roku.

Innymi współpracownikami tego projektu są naukowcy z Instytutu Badań Materiałów Uniwersytetu Tohoku, Instytutu Badań Naukowych przy Granicach w Instytucie Technologii w Nagoi oraz Narodowego Instytutu Nauk o Materiałach

Źródło: Science Daily