Výkonnejšie batérie s rýchlejším nabíjaním? Vďaka novému materiálu by to už čoskoro mohlo byť realitou
Vedci z laboratória Argonne skúmajú využitie nových materiálov ako elektród pre lítium-iónové batérie.
Za posledných desať rokov sa vývoj lítium-iónových batérií posunul míľovými krokmi vpred, no aj napriek tomu výskumníci stále čelia výrazným problémom. Jedným z nich je napríklad rýchlejšie nabíjanie, ktoré by pomohlo najmä vo sfére elektromobilov.
Vedci z laboratória Argonne v spolupráci s Boise State University a University of California San Diego sa tento problém pokúsili vyriešiť. Ich nový výskum viedol k vytvoreniu nového materiálu pre elektródy batérie. Na výrobu materiálu použili oxid nióbový, ktorý sa vyznačuje jedinečnou kryštalickou štruktúrou. So sebou zároveň nesie prísľub rýchlejšieho nabíjania a mimoriadnej kapacity.
Počas nabíjania lítium-iónovej batérie sa ióny lítia presúvajú z pozitívne nabitej elektródy na negatívne nabitú elektródu vyrobenú spravidla z grafitu. Pri vyšších rýchlostiach nabíjania sa lítium zvykne hromadiť na grafitovom povrchu. To znižuje výkon a eventuálne môže viesť ku skratu batérie alebo dokonca požiaru.
Oxid nióbový nie je až tak náchylný na tento proces. Predpokladá sa preto, že môže ísť o oveľa bezpečnejšiu a hlavne odolnejšiu verziu, než grafit. Zároveň sa môžu atómy nióbu usporiadať do množstva stabilných konfigurácií. Vedci by tak mohli neskôr nájsť spôsob, ako zvýšiť výkon lítium-iónových batérií.
Vedci v experimente skonštruovali miniatúrnu verziu batérie, ktorá mala elektródy z oxidu nióbového. Na začiatku mal tento oxid amorfnú štruktúru, teda atómy neboli usporiadané. Po niekoľkých nabíjacích cykloch si však vedci všimli, že sa atómy usporiadali do kryštalickej mriežky. Pozorovaná štruktúra podľa autorov ešte nikdy predtým nebola opísaná vo vedeckej literatúre.
Neprehliadnite
Kryštalická mriežka umožnila jednoduchší a rýchlejší presun iónov lítia k negatívne nabitej elektróde. Výskumníci tvrdia, že to by mohlo v budúcnosti viesť k oveľa rýchlejšiemu nabíjaniu. Merania zároveň ukázali, že takáto batéria môže držať oveľa viac energie.
Lepšie lítium-iónové batérie?
V ďalších krokoch vedci skúmali proces zmeny štruktúry z amorfnej na kryštalickú. Na to potrebovali špeciálny druh elektrónovej mikroskopie. Pomocou tejto techniky dokázali cez vzorku vyslať vysokoenergetický lúč elektrónov. Ten umožnil vedcom vytvoriť digitálne obrazy vzorky reagujúcej s lúčmi. Zároveň vedcom ukázal usporiadanie atómov.
„Elektrónový lúč sa zameriava len na malú časť vzorky, teda prináša detailné informácie len o malej oblasti,“ vysvetľuje Yuzi Liu, jeden z autorov štúdie.
Experimenty zároveň ukázali, že počas nabíjania získajú atómy nióbu niekoľko elektrónov. To vedcom naznačuje, že anóda má vysokú kapacitu. Vyrobiť oxid nióbový, ktorý by mal vysoký výkon je s tradičnými metódami syntézy mimoriadne náročné. V rámci štúdie sa však vedcom podarilo zvoliť nekonvenčný prístup, ktorý by mohli použiť na výrobu iných materiálov pre batérie. Metóda by však podľa názoru vedcov našla svoje uplatnenie aj v iných sférach, napríklad pri výrobe polovodičov alebo katalyzátorov.
Komentáre