Istoriškai baterijų tarnavimo laikas kėlė iššūkių energetikos perėjimui ir transporto elektrifikacijai. Didėjant paklausai ilgesnio tarnavimo, saugesnių ir efektyvesnių baterijų, dabartinių medžiagų ribotumas tampa vis akivaizdesnis.
Šiame kontekste moksliniai tyrimai sutelkti į mikroskopiniu lygiu kylančių problemų sprendimą. Nestabilios sąsajos, nepageidaujamos reakcijos ir progresyvus talpos praradimas daro įtaką šių baterijų tarnavimo laikui, net ir tokiose perspektyviomis laikomose technologijose kaip kietojo kūno baterijos.
Kaip Vokietijos mokslininkams pavyko pailginti baterijų tarnavimo laiką?
Tarptautinė komanda, vadovaujama Vokietijos, nustatė medžiagą, kuri gali žymiai pailginti kietųjų baterijų tarnavimo laiką. Darbus vadovavo Bayreuto universiteto profesorius Francesco Ciucci, o jie buvo paskelbti žurnale „Nature“.
Tyrimai buvo sutelkti į kietojo elektrolito ir ličio metalo elektrodo sąlytį. Šiame kritiniame taške abiejų medžiagų atomai linkę reaguoti tarpusavyje, sudarydami junginius, kurie blokuoja ličio jonų praėjimą. Dėl didėjančio pasipriešinimo sumažėja baterijos talpa ir pagreitėja jos susidėvėjimas.
Siekiant išvengti šios problemos, mokslininkai tyrė ultraplonos tarpinės sluoksnio įtraukimą, skirtą atskirti abi medžiagas, netrukdant jonų transportavimui. Tikslas buvo aiškus:stabilizuoti sąsają ir pratęsti baterijų tarnavimo laiką, neprarandant našumo.
Duomenų bazė, reikalinga norint rasti ieškomą medžiagą
Komanda kreipėsi į aukštos kokybės kompiuterinę atrankos sistemą. Šis metodas leido jiems išanalizuoti daugiau nei 20 000 junginių, paimtų iš Materials Project, viešos duomenų bazės, kurioje kaupiami apskaičiuoti medžiagų savybės.
Filtravimas buvo pagrįstas keliais techniniais kriterijais:
- Termodinaminis stabilumas, siekiant išvengti priešlaikinio skilimo.
- Cheminis suderinamumas su abiem baterijos pusėmis.
- Gebėjimas sukelti savaiminio apribojimo reakcijas, kurios nevystosi naudojimo metu.
Šis metodas leido iš tūkstančių variantų atrinkti vieną pagrindinį kandidatą. Šis procesas leido išvengti mėnesių trukmės nereikalingų eksperimentinių bandymų ir sutelkti išteklius į medžiagą, turinčią realų potencialą prailginti baterijos tarnavimo laiką.
Kokia medžiaga gali prailginti baterijos tarnavimo laiką?
Buvo pasirinktas junginys ličio oksichloridas, žinomas kaip Li3OCl. Ši medžiaga priklauso antiperovskito šeimai, kristalinėms struktūroms, kurios gali efektyviai laidyti ličio jonus ir išlaikyti aukštą cheminį stabilumą.
Bandymuose Li3OCl buvo naudojamas kaip tarpinis sluoksnis kartu su kietu halogenido elektrolitu Li3InCl6. Rezultatai parodė aiškų skirtumą, palyginti su nemodifikuotomis baterijomis.
Apsaugotos ląstelės išlaikė 76 % savo talpos po 1000 įkrovimo ir iškrovimo ciklų, palyginti su vos 5 % tradicinėse sistemose.
Net greito įkrovimo sąlygomis baterijos su šiuo tarpinės sluoksniu viršijo 1600 ciklų be staigaus gedimo. Šie duomenys rodo, kad Li3OCl yra pagrindinis elementas, prailginantis intensyvaus ir ilgalaikio naudojimo baterijų tarnavimo laiką.
Ką šis atradimas reiškia pramonei ir kokia yra baterijų ateitis?
Ličio metalo naudojimas toliau traukia pramonę dėl jo gebėjimo didinti energijos tankį. Tačiau dendritų susidarymas ir cheminis nestabilumas riboja jo komercinį pritaikymą. Kietosios baterijos sumažina riziką, bet vis dar priklauso nuo patikimų sąsajų.
Li3OCl sluoksnis veikia kaip elektroninė barjera, kuri leidžia jonams praeiti ir blokuoja žalingas reakcijas. Laikui bėgant jis sudaro stabilius junginius, pvz., ličio chloridą ir ličio oksidą, fiksuodamas sąsają pastovioje būsenoje ir prailgindamas baterijos tarnavimo laiką.
Be konkrečios medžiagos, mokslininkai pabrėžia atrankos metodo vertę. Atrankos sistema gali būti pritaikyta kitoms kietosioms elektrolitams, atverdama duris įvairių baterijų chemijos tobulinimui.
Nepaisant to, vis dar lieka neišspręstų uždavinių: pramoninis mastas, gamybos sąnaudos ir ilgalaikis veikimas realiomis sąlygomis.
Šis proveržis nėra galutinis produktas, o greičiau pakartojamas receptas. Jei pramonei pavyks efektyviai integruoti šiuos tarpinės sluoksnius, baterijos tarnavimo laikas galėtų nustoti būti pagrindine kliūtimi galutiniam kietųjų baterijų plitimui.
