Lítium-iónové batérie sa môžu nabíjať rýchlejšie a vydržať oveľa dlhšie: Prelom vedcov z Oxfordu našiel spôsob ako zlepšiť ich vlastnosti

Vedci z University of Oxford priniesli pohľad do miesta, kam sa doteraz nikto poriadne nepozrel. Nezamerali sa na nový exotický materiál ani na dramatickú zmenu chémie. Vzali si pod drobnohľad polymérne spojivo, nenápadné „lepidlo“, ktoré drží grafit alebo kremík v anóde pokope. Výsledky publikoval tím 17. februára v časopise Nature Communications.

Spojivo tvorí menej než päť percent hmotnosti elektródy, no ovplyvní mechanickú stabilitu, tok iónov aj výslednú životnosť článku. Doteraz sa jeho rozloženie dalo len odhadovať. Výrobcovia zmiešali grafit, spojivo a rozpúšťadlo, naniesli zmes na fóliu a po vysušení otestovali kapacitu. Ak výkon klesol o desať percent, nikto presne nevedel, čo sa počas sušenia pokazilo.

Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ

Koniec čiernej skrinky

Výroba batérií fungovala podobne ako pečenie koláča v tmavej rúre. Ingrediencie vedci poznali, výsledok dokázali zmerať, no proces medzi tým zostal skrytý. Oxfordská technika tento problém výrazne posunula.

Tím naviazal na bežné spojivá, karboxymetylcelulózu (CMC) a latexové SBR, stopové značky zo striebra a brómu. V elektrónovom mikroskope sa potom tieto prvky zobrazili cez charakteristické röntgenové signály a spätný odraz elektrónov. Vedci tak presne zmapovali, kde sa spojivo nachádza, v akej hrúbke a či vytvára súvislú vrstvu alebo len náhodné zhluky.

„Po prvýkrát vidíme rozloženie týchto spojív nielen globálne, ale aj lokálne, ako nanometrové vrstvy a zhluky a vieme ich prepojiť s výkonom anódy,“ uviedol Stanislaw Zankowski z Katedry materiálov.

To znamená, že výrobca už nemusí hádať. Vie skontrolovať, či sa spojivo rozprestrelo rovnomerne alebo sa počas spracovania rozpadlo.

Neprehliadni

VIDEO: Takýto zápas neuvidíš ani v Mortal Kombat. Robot odkopol súperovi hlavu, ten bojoval ďalej

Súboj s „kožou“ na povrchu

Jedným z kľúčových javov, ktoré metóda odhalila, je migrácia spojiva. Počas rýchleho sušenia má spojivo tendenciu „vyplávať“ smerom k povrchu elektródy. Tam vytvorí hustú, menej priepustnú vrstvu podobnú koži.

Rozdiel je vidieť priamo pri nabíjaní. Ióny lítia sa cez túto vrstvu dostávajú ťažšie k aktívnemu materiálu. Zvyšuje sa vnútorný odpor, článok sa viac zahrieva a nabíjanie trvá dlhšie.

Nové zobrazovanie presne ukázalo, pri akých podmienkach sušenia táto „koža“ vznikne. Pri úprave miešania a sušiaceho procesu tím dosiahol zníženie vnútorného iónového odporu až o 40 percent. To je hodnota, ktorá v priemyselnom meradle znamená obrovský rozdiel.

Pre gigafabriky, aké prevádzkuje Tesla alebo európsky výrobca Northvolt, predstavujú takéto dáta informáciu s priamym finančným dopadom. Presné nastavenie teploty a rýchlosti sušenia môže rozhodnúť o tom, či nová séria článkov splní parametre bez dodatočných úprav.

Stačí len desať nanometrov

Metóda zachytila vrstvy CMC hrubé približne 10 nanometrov. Na jednom snímku sa zobrazili štruktúry od nanometrov po mikrometre. Ukázalo sa, že pôvodne rovnomerný film sa počas spracovania často roztrhal na „ostrovčeky“. Takéto nerovnomerné pokrytie oslabilo mechanickú stabilitu a zhoršilo transport iónov.

„Tento multidisciplinárny prístup, od chémie cez mikroskopiu až po elektrochemické testovanie, nám umožnil pochopiť povrchové procesy, ktoré priamo ovplyvňujú životnosť a výkon batérií,“ doplnil spoluautor výskumu, Patrick Grant.

Výskum sa nezameral len na výkon. Tím pracoval so spojivami CMC a SBR, ktoré sa rozpúšťajú vo vode. Väčšina dnešnej produkcie pritom používa toxické rozpúšťadlá, napríklad NMP, ktoré zaťažujú životné prostredie aj rozpočet výrobcu.

Prechod na vodné spracovanie predstavuje jeden z hlavných cieľov ekologickejšej výroby batérií. Problém spočíval v tom, že vodné zmesi vykazovali vyššiu procesnú nestabilitu. Bez detailného pohľadu na rozloženie spojiva sa optimalizácia takmer nedala zvládnuť.

Nová vizualizácia umožní doladiť „vodné“ receptúry tak, aby dosiahli rovnakú spoľahlivosť ako tradičné toxické systémy. To môže znížiť uhlíkovú stopu výroby a zároveň zachovať výkon.

Výskum podporila Faraday Institution v rámci projektu Nextrode a o patentovanú metódu prejavil záujem aj priemysel. Z laboratórneho detailu sa tak stal nástroj, ktorý dá výrobcom presnejšiu kontrolu nad procesom, ktorý doteraz pripomínal prácu naslepo.