Jeden z wynalazców baterii litowo-jonowych pomógł rozwiązać ich największy problem

Każdy, kto kiedykolwiek korzystał ze smartfonu, tabletu czy laptopa wie, że z czasem ich baterie tracą swoją pojemność i zaczynają działać po naładowaniu do pełna coraz krócej i krócej. Ale czy zdawałeś sobie sprawę z tego, że baterie w tych urządzeniach znaczną część pojemności tracą już na samym początku swojego żywota? Jest to spowodowane zanieczyszczeniami, które powstają podczas pierwszego cyklu ich pracy. Tak się jednak składa, że zespół, któremu przewodził laureat nagrody Nobla i pierwszy człowiek, który zaproponował koncepcję akumulatora litowo-jonowego – Stanley Whittingham, znalazł właśnie rozwiązanie tego problemu.

Zanieczyszczenia w akumulatorach

Źródłem zanieczyszczeń powstających w bateriach litowo-jonowych podczas pierwszego cyklu ich pracy jest bogata w nikiel katoda – ta cześć akumulatora, która posiada ładunek dodatni. Nikiel katody, będącej jedną z elektrod, jest składnikiem, któremu baterie litowo-jonowe zawdzięczają swoją wysoką gęstość energii. Niemniej jednak, ten sam składnik jest również niestabilny.

Nikiel w katodzie baterii litowo-jonowej z łatwością reaguje z innymi pierwiastkami wewnątrz akumulatora. W rezultacie elektrodę tę zaczynają pokrywać związki, które jeszcze przed pierwszym ładowaniem obniżają pojemność akumulatora o 10 do 18 procent. Nikiel może powodować też niestabilność we wnętrzu struktury katody, dodatkowo zmniejszając pojemność baterii po wielu cyklach rozładowywania i ładowania.

Rozwiązanie, które przeszło długą drogę

Stanley Whittingham w 2019 roku został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii wraz z dwoma innymi naukowcami, którzy odpowiedzialni są za wynalezienie baterii-litowo jonowych. Koncepcja takiej baterii powstała już w latach 70. XX wieku, ale pierwszy jej bezpieczny prototyp ujrzał światło dzienne w 1985 roku. Na przestrzeni lat akumulatory te znacznie rozwinięto, ale uczeni wciąż starają się je ulepszyć.

Aby znaleźć sposób na to, by baterie litowo-jonowe nie traciły swojej pojemności jeszcze przed pierwszym ładowaniem, Whittingham, wraz z grupą badaczy z takich instytucji jak SUNY Binghamton (State University of New York at Binghamton), Oak Ridge National Laboratory czy Brookhaven National Laboratory, poddał testom obiecujący materiał o nazwie NMC 811. NMC 811, składający się z niklu, magnezu i kobaltu, tworząc katodę w parze z substancją zwaną tlenkiem niobu, może doprowadzić do powstania baterii o dłuższej żywotności. Uczeni zbadali ten materiał metodami dyfrakcji neutronów oraz dyfrakcji rentgenowskiej.

„Neutrony z łatwością penetrowały materiał katody, aby odkryć, gdzie znajdowały się atomy niobu i litu. To pozwoliło lepiej zrozumieć, jak przebiega proces modyfikacji niobu.”, powiedział jeden z badaczy, Hui Zhou. „Dane dotyczące rozpraszania neutronów sugerują, że atomy niobu stabilizują powierzchnię, aby zmniejszyć straty [wydajności] w pierwszym cyklu, podczas gdy w wyższych temperaturach atomy niobu wypierają niektóre atomy manganu położone głębiej w materiale katody, zmniejszając długoterminową utratę wydajności.”

Obiecujące rezultaty badań

Eksperymenty uczonych pokazały, że zastosowanie w baterii katody wykonanej z NMC 811 i pokrytej tlenkiem niobu powoduje redukcję utraty wydajności w pierwszym cyklu i w kolejnych o 93 procent. Wyniki dotyczą 250 cykli rozładowywania i ładowania akumulatora.

„Poprawa zaobserwowana w przypadku wydajności elektrochemicznej i stabilności strukturalnej sprawia, że zmodyfikowany niobem NMC 811 jest świetnym kandydatem na materiał katodowy dla baterii o wyższej gęstości energii, stosowanych na przykład w samochodach elektrycznych.”, powiedział Whittingham. „Połączenie powłoki wykonanej z niobu wraz z zastąpieniem atomami niobu atomów manganu może być lepszym sposobem zarówno na zwiększenie początkowej pojemności, jak i długoterminowej retencji pojemności ogólnej.”

Pewnie minie sporo czasu, zanim omówione rozwiązanie znajdzie zastosowanie w rzeczywistości, o ile w ogóle to nastąpi. Mam jednak nadzieję, że z czasem w nasze ręce zaczną trafiać urządzenia z bateriami wykorzystującymi NMC 811 i tlenek niobu jako powłokę.

Źródło: Oak Ridge National Laboratory, fot. tyt. Jill Hemman/ORNL