Sposób na trwalsze akumulatory litowo-jonowe odkryty przez przypadek

Trwałość akumulatora litowo-jonowego to jedna z cech, która decyduje o jego przydatności. To liczba cykli ładowanie-rozładowanie, które zniesie akumulator, zanim jego parametry pracy znacznie się pogorszą. Naukowcy wytrwale poszukują metody na poprawę tej cechy akumulatorów, ale tym razem o sukcesie, grupy z MIT i chińskiego Uniwersytetu w Tshingua, w tej dziedzinie zadecydował przypadek.

Próbując, zresztą z powodzeniem, opracować technologię gwarantującą znacznie większą niż dotychczas pojemność akumulatora przy tych samych rozmiarach, udało się poprawić również jego żywotność. Kluczowe okazało się zastosowanie nanocząstek o strukturze jajka (z osłonką z dwutlenku tytanu i rdzeniem z glinu) jako materiału dla anody.

Glin w tym przypadku jest tym czym jest grafit w tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych. Pojemność energetyczna nowatorskiej elektrody (1,2 Ah/g) jest prawie trzy razy większa niż grafitu (0,35 Ah/g), a to oznacza znaczny skok pojemności akumulatorów.

To nie wszystko. Nawet gdy taki akumulator jest ładowany bardzo szybko, a szybko w tym przypadku oznacza naładowanie rozładowanego akumulatora w 6 minut, udaje się zachować około 50% pojemności po 500 cyklach takiego ładowania. Akumulator ładowany w standardowym tempie, zachowa swoje nominalne parametry oczywiście znacznie dłużej.

Rozwiązanie zespołu kierowanego przez Ju Li wykorzystuje tanie materiały i prostą, a na dodatek skalowalną, technologię produkcji, co powinno zainteresować producentów akumulatorów.

Warto wspomnieć, że w kwietniu naukowcy ze Stanford proponowali inne rozwiązanie - opisywany przez nas akumulator aluminiowo-jonowy. Słabością tamtej konstrukcji było maksymalne użyteczne napięcie 2 V, dwa razy mniejsze niż w akumulatorach litowo-jonowych.

Gdzie ten przypadek?

Okazuje się, że początkowo zespół badawczy koncentrował się przede wszystkim na wyeliminowaniu kłopotu jaki w ogóle stwarza zastosowanie glinu jako materiału anody w akumulatorach litowo-jonowych. Problem polegał na tym, że na powierzchni aliminium, które styka się z ciekłym elektrolitem, tworzy się otoczka negatywnie wpływająca na przewodnictwo.

Poza tym elektrody w akumulatorach litowo-jonowych zmieniają swoją objętość w trakcie cyklu ładowanie-rozładowanie. Silne naprężenia, które powstają w trakcie ładowania prowadzą do uszkodzenia zewnętrznych warstw elektrod, a w efekcie do zmniejszenia pojemności w miarę eksploatacji. Im wyższą pojemność oferuje dany materiał z tym większym naprężeniem, i ryzykiem uszkodzenia wewnętrznych połączeń w akumulatorze, należy się liczyć.

Rozwiązaniem obu problemów było zastąpienie tworzącej się na powierzchni cząstek glinu warstwy tlenku glinu, warstwą dwutlenku tytanu. Taka warstwa jest nie tylko cienka (kilka nm), ale zapewnia również wysokie przewodnictwo.

Przechodząc od pomysłu do jego realizacji, zaplanowano eksperyment, który polegał na specjalnej kąpieli aluminiowego proszku. Tytanowa osłonka powstała prawie natychmiast wokół cząstek glinu, jednak kąpiel trwała kilka godzin, znacznie dłużej niż zaplanowano.

W miarę upływu czasu, rdzenie z glinu wewnątrz osłonek coraz bardziej się kurczyły. Powstała struktura, która pozwala by glin rozprężał się w trakcie ładowania, bez większych konsekwencji dla trwałości anody - coś na kształt jajka pozbawionego białka.  

I tak po raz kolejny w historii przypadek pomógł całkiem przypadkowo rozwiązać problem, który przypadkiem wcale nie był w polu zainteresowań badaczy.

Źródło: MIT, fot: Christine Daniloff/MIT