ZNANOST: hrvatski znanstveni portal

Sveti gral u dizajnu baterija – stabilna litijska anoda

Inženjeri diljem svijeta se natječu u dizajniranju manjih, jeftinijih i efikasnijih punjivih baterija kako bi odgovorili na sve veće potrebe za energijom; od malih aparata do električnih auta.

U studiji objavljenoj u časopisu Nature Nanotechnology istraživači sa sveučilišta Stanford su otkrili da su otišli veliki korak dalje u onome što dizajneri baterija pokušavaju postići desetljećima – dizajnirati litijsku anodu.

Danas imamo samo djelomično litijske baterije

Sve baterije imaju tri osnovne komponente: elektrolit za proizvodnju elektrona, anodu za otpuštanje tih elektrona i katodu za njihovo primanje. Mi danas kažemo da imamo litijske baterije, ali to je samo djelomično istinito. Ono što imamo su baterije s ionima litija. Litij je u elektrolitu, a ne u anodi. Anoda od čistog litija bi bila veliki uspjeh u podizanju učinkovitosti baterije. 

„Od svih materijala koji se mogu koristiti u anodi, litij ima najveći potencijal. Neki ga nazivaju Svetim Gralom,“ rekao je Yi Cui profesor znanosti i inženjerstva i voditelj istraživanja. „Lagan je i ima najveću energiju. Možete dobiti više struje po volumenu i težini, što vodi do laganijih i manjih baterija s više snage.“ 

Ali, inženjeri su dugo pokušavali i nisu uspijevali pronaći taj Sveti Gral. „Postoji puno poteškoća pri uporabi litija u anodama. Mnogi inženjeri su odustali, ali mi smo pronašli način da zaštitimo litij od problema koji su ga toliko dugo pratili,“ rekao je Guangyuan Zheng kandidat za doktorat u Cuievom laboratoriju i prvi autor istraživanja. Tim čine i Steven Chu, bivši ministar energetike i dobitnik Nobelove nagrade koji je nedavno postao profesor na Stanfordu. 

Inženjerski izazov 

U studiji, autori objašnjavaju kako su nadišli probleme koje je uzrokovala uporaba litija.

Većina baterija s ionima litija, kao što su one koje imate u svojim pametnim telefonima ili hibridnim autima, rade slično. Glavne komponente uključuju anodu, negativni pol od kojeg elektroni ulaze i izlaze iz aparata i katodu gdje se elektroni ponovno vraćaju u bateriju nakon što su proputovali strujni krug. Odvaja ih elektrolit, u krutom ili tekućem stanju, pozitivno nabijen s litijskim ionima koji putuju između anode i katode.

Tijekom punjenja, pozitivno nabijene ione litija u elektrolitu privlači negativno nabijena anoda i litij se akumulira na anodi. Danas je baterija s ionima litija ustvari napravljena od grafita ili silikona. Inženjeri bi voljeli koristiti litij za anodu, ali do sada to im nije uspijevalo. Zato što se ioni litija šire dok se skupljaju na anodi tijekom punjenja.

Svi materijali za anodu, uključujući grafit i silikon, šire se tijekom punjenja, ali ne kao litij. Istraživači  kažu da širenje litija tijekom punjenja je „doslovno bezgranično“ u usporedbi s drugim materijalima. Njegovo širenje je ujedno i nejednako zbog čega nastaju pukotine na površini kao boja na vanjskoj strani napuhanog balona.

To omogućuje dragocjenim ionima da pobjegnu formirajući izrasline u obliku kose ili mahovine, zvane dendriti. A dendriti skraćuju strujni krug u bateriji kao i njeno trajanje.

Sprječavanje da se to dogodi predstavlja prvi izazov u korištenju litija za anodu baterije.

Drugi izazov je taj što je litijska anoda jako kemijski reaktivna s elektrolitom. Iskorištava cijeli elektrolit i skraćuje trajanje baterije.

Dodatni problem je taj što anoda i elektrolit proizvode toplinu kada dođu u kontakt. Litijske baterije, uključujući i one koje su danas u uporabi, mogu se toliko zagrijati da se zapale ili čak eksplodiraju i to predstavlja problem sigurnosti. Nedavna zapaljenja baterija u Teslinim autima i na Boeing Dreamlineru su primjeri problema s baterijama od litijskih iona. 

Izrada nanosfera 

Kako bi se riješili ti problemi, stanfordski istraživači su napravili zaštitni sloj međusobno povezanih ugljikovih kupola na vrhu njihove litijske anode. Taj sloj tim naziva nanosferom. 

On nalikuje saćama u košnici: stvara fleksibilan i nereaktivan omotač koji štiti nestabilni litij. Zid od ugljikove nanosfere je debljine od samo 20 nanosfera. Da bude debljine kao ljudska dlaka, bilo bi potrebno 5000 slojeva.

„Idealni zaštitni sloj za litijsku anodu mora biti kemijski stabilan kako bi štitio od kemijskih reakcija s elektrolitom i mora biti mehanički jak da izdrži širenje litija tijekom punjenja“ rekao je Cui.

Upravo to omogućava zaštitni sloj sa Stanforda. Napravljen je od amorfnog ugljika koji je kemijski stabilan, a opet dovoljno jak i fleksibilan da se može slobodno kretati gore i dolje zajedno s litijem dok se on širi i skuplja tijekom punjenja baterije. 

Ideal na dohvat ruke 

U tehničkim terminima, nanosfera poboljšava kulonsku efikasnost baterije – omjer količine litija koji se može izvući iz anode kada je baterija u uporabi u usporedbi s količinom potrebnom za punjenje. Jedna runda ovog procesa davanja i oduzimanja se zove krug.

Kako bi bio komercijalno isplativ, baterija mora imati kulonsku efikasnost od 99,9% ili više u što više krugova što je moguće. Prijašnje anode od nezaštićenog litijskog metala  su postizale učinkovitost od 96%, koja je padala na manje od 50% u samo 100 krugova – a to nije bilo ni približno dovoljno. Litijska anoda stanfordskog tima postiže efikasnost od 99% kod čak 150 krugova.

„Kad se govori o baterijama, razlika između 99% i 96%  je ogromna. Dakle, dok još nismo blizu 99,9%, ali sve se više približavamo, to predstavlja značajan napredak u odnosu na dizajne iz prošlosti,“ rekao je Cui. „S dodatnim radom i novim elektrolitima, vjerujemo da ćemo stvoriti praktičnu i stabilnu litijsku anodu koja će davati energiju sljedećoj generaciji punjivih baterija.“   

Izvor: Stanford School of Engineering

Podijeli.