Zespół naukowców z Uniwersytetu Columbia pod kierownictwem adiunkta Yuan Yanga opracował nową metodę na wydłużenie żywotności oraz poprawinie bezpieczeństwa pracy baterii poprzez zastosowanie nanopowłok azotku boronu.
W dzisiejszym świecie baterie litowo-jonowe są używane powszechnie w życiu codziennym, jednak charakteryzują się małą gęstością energii i niezadawalającą żywotnością. Ze względu na zastosowany w nich łatwopalny elektrolit może dojść do zwarcia, a nawet wybuchu. I na rozwiązaniu tego problemu skupili się naukowcy z nowojorskiej uczelni.
Pojemność baterii można zwiększyć, wykorzystując lit zamiast grafitu w anodzie. Jednak wtedy podczas procesu produkcji często na powierzchni formują się dendryty, które w czasie pracy urządzenia mogą sprzyjać powstawaniu zwarć, a to stwarza duże niebezpieczeństwo dla użytkownika.
Naukowcy znaleźli receptę. Wystarczy zastosować stały elektrolit ceramiczny, a znika ryzyko eksplozji, więc kwestie bezpieczeństwa są rozwiązane. Poza tym jego właściwości mechaniczne zapobiegają zwiększaniu się dendrytów, co dodatkowo skutkuje dłuższą żywotnością baterii. Niestety bliski kontakt elektrolitu stałego z litem wiąże się z “wnikaniem” jednej substancji w drugą, do czego nie wolno dopuścić.
Jak powiedział, jeden z naukowców Qian Cheng: “Lit jest niezbędny w celu poprawienia gęstości energii, więc jest to przełom, że jesteśmy w stanie wykorzystać go jako anodę dla stałego elektrolitu. Aby zastosować ten niestabilny stały elektrolit w prawdziwym życiu, potrzebowaliśmy stworzyć chemicznie i mechanicznie stabilną osłonę, która by chroniła elektrolit przed litem. Konieczne jest, żeby ta osłona była nie tylko izolatorem dla elektronów, ale też żeby była przewodnikiem jonowym, aby jony litu mogły być swobodnie transportowane.”
Badacze współpracowali z kolegami z Brookhaven National Laboratory oraz Uniwersytetu Nowojorskiego w celu stworzenia stabilnego materiału. Zdecydowano się wykorzystać azotek boronu o grubości 5-10 nanometrów jako osłonę izolującą stały elektrolit od litu. O wyborze substancji zdecydowała jej jednoczesna stabilność chemiczna i mechaniczna, ponieważ nie tylko spełnia swoją rolę, ale zapewnia też długą żywotność baterii.
Ilustracja przedstawia co się dzieje, kiedy stały elektrolit jest w kontakcie z litem (po lewej) oraz kiedy są oddzielone ochronną nanopowłoką (po prawej). Jak widać brak osłony skutkuje zachodzeniem reakcji chemicznych między substancjami, co po kilku cyklach wyniszczy elektrolit. W obu przypadkach jony mogą się swobodnie poruszać, elektrony zaś tylko kiedy nie ma powłoki.
Warto zauważyć, że warstwa ochronna o grubości 5-10 nanometrów jest rekordowo cienka, gdyż wcześniejsze tego typu powłoki miały grubości rzędu 200 mikrometrów. Obecnie naukowcy testują materiał na niestabilnych stałych elektrolitach różnego rodzaju, aby ostatecznie dopracować metodę i docelowo móc produkować baterie o większej wydajności oraz ilości cykli, niż oferują nam produkty obecnie dostępne na rynku.
Radosław Muszyński
