Istraživači su razvili jednostavnu laboratorijsku tehniku koja im omogućuje da pogledaju unutar litij-ionskih baterija i prate litij-ione koji se kreću u stvarnom vremenu dok se baterije pune i prazne, što do sada nije bilo moguće.
Koristeći jeftinu tehniku, istraživači su identificirali procese ograničavanja brzine koji bi, ako se riješe, mogli omogućiti punjenje baterija u većini pametnih telefona i prijenosnih računala za samo pet minuta.
Istraživači sa Sveučilišta Cambridge kažu da njihova tehnika neće samo pomoći u poboljšanju postojećih baterijskih materijala, već bi mogla ubrzati razvoj baterija sljedeće generacije, jedne od najvećih tehnoloških prepreka koje treba prevladati prijelazom na fosilno gorivo. Rezultati su objavljeni u časopisu Priroda.
Iako litij-ionske baterije imaju neporecive prednosti, poput relativno visoke gustoće energije i dugog vijeka trajanja u usporedbi s drugim baterijama i sredstvima za pohranu energije, one se također mogu pregrijati ili čak eksplodirati, a relativno su skupe za proizvodnju. Uz to, njihova gustoća energije nije ni blizu gustoći benzina. Do sada ih to čini neprikladnima za široku upotrebu u dvije glavne čiste tehnologije: električnim automobilima i mrežnom skladištu solarne energije.
“Bolja je ona baterija koja može pohraniti puno više energije ili ona koja se može napuniti puno brže – idealno oboje”, rekao je koautor dr. Christoph Schnedermann iz Cambridgeova laboratorija Cavendish. “Ali da bismo od novih materijala napravili bolje baterije i poboljšali baterije koje već koristimo, moramo razumjeti što se događa u njima.”
Da bi poboljšali litij-ionske baterije i pomogli im da se brže pune, istraživači moraju u stvarnom vremenu pratiti i razumjeti procese koji se javljaju u funkcionalnim materijalima u realnim uvjetima. Trenutno su za to potrebne sofisticirane tehnike sinkrotronske rendgenske ili elektronske mikroskopije koje su dugotrajne i skupe.
„Da biste doista proučavali što se događa unutar baterije, u osnovi morate natjerati mikroskop da radi dvije stvari odjednom: on mora promatrati punjenje i pražnjenje baterija tijekom razdoblja od nekoliko sati, ali istodobno mora snimati vrlo brzo procesi koji se događaju unutar baterije “, rekla je prva autorica Alice Merryweather, doktorandica u Cambridgeovu laboratoriju Cavendish.
Cambridge tim razvio je tehniku optičke mikroskopije nazvanu interferometrijska raspršujuća mikroskopija kako bi promatrao ove procese na djelu. Koristeći ovu tehniku, mogli su promatrati punjenje i pražnjenje pojedinih čestica litij-kobalt-oksida (često zvanih LCO) mjerenjem količine raspršene svjetlosti.
Mogli su vidjeti LCO kako prolazi kroz niz faznih prijelaza u ciklusu pražnjenja i pražnjenja. Granice faza unutar LCO čestica kreću se i mijenjaju kako litijevi ioni ulaze i izlaze. Istraživači su otkrili da se mehanizam pomične granice razlikuje ovisno o tome puni li se ili prazni li baterija.
“Otkrili smo da postoje različita ograničenja brzine za litij-ionske baterije, ovisno o tome pune li se ili prazne”, rekao je dr. Akshay Rao iz laboratorija Cavendish, koji je vodio istraživanje. “Pri punjenju brzina ovisi o tome koliko brzo litijevi ioni mogu proći kroz čestice aktivnog materijala. Pri pražnjenju, brzina ovisi o brzini umetanja iona na rubove. Ako možemo kontrolirati ova dva mehanizma, to bi omogućilo litij-ionske baterije da se pune puno brže. “
“S obzirom na to da se litij-ionske baterije koriste desetljećima, pomislili biste da znamo sve što se o njima može znati, ali to nije slučaj”, rekao je Schnedermann. „Ova tehnika omogućuje nam da vidimo koliko brzo može proći kroz ciklus pražnjenja i pražnjenja. Ono čemu se doista radujemo jest korištenje tehnike za proučavanje materijala baterija sljedeće generacije – ono što smo naučili o LCO možemo iskoristiti za razvoj novih materijala. “
“Tehnika je prilično općenit način gledanja na ionsku dinamiku u čvrstim materijalima, tako da je možete koristiti na gotovo svim vrstama baterijskih materijala”, rekla je profesorica Clare Gray iz Cambridgea, Odjel za kemiju Yusuf Hamied, koji je suvodio istraživanje.
Priroda metodologije velike propusnosti omogućuje uzorkovanje mnogih čestica preko cijele elektrode i, krećući se naprijed, omogućit će daljnje istraživanje onoga što se događa kada baterije otkažu i kako to spriječiti.
“Ova tehnika koju smo razvili u laboratoriju nudi veliku promjenu u brzini tehnologije kako bismo mogli pratiti brzi unutarnji rad baterije”, rekao je Schnedermann. “Činjenica da zapravo možemo vidjeti kako se te fazne granice mijenjaju u stvarnom vremenu bila je zaista iznenađujuća. Ova bi tehnika mogla biti važan dio slagalice u razvoju baterija sljedeće generacije. “