Rewolucja w bateriach bardziej prawdopodobna dzięki Polakom?

Rewolucja w bateriach litowo-jonowych?

Współczesny świat polega na przenośnych urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony czy tablety. Wiele z tych urządzeń jest zasilanych bateriami litowo-jonowymi, które mogą być mniejsze, lżejsze, bezpieczniejsze i bardziej wydajne, jeśli ich ciekłe elektrolity zostaną zastąpione substancjami stałymi. Obiecującym kandydatem na elektrolit w stanie stałym jest nowa klasa materiałów opartych na związkach litowych, przedstawiona przez fizyków z Szwajcarii i Polski.

Dostępne w handlu baterie litowo-jonowe składają się z dwóch elektrod połączonych ciekłym elektrolitem. Utrudnia on inżynierom zmniejszenie rozmiaru i wagi akumulatora, a ponadto jest narażony na przecieki; w odsłoniętych elektrodach lit styka się wówczas z tlenem w powietrzu i ulega samozapłonowi.

Laboratoria poszukiwały zatem stałych materiałów zdolnych do zastąpienia płynnych elektrolitów latami. Najpopularniejszymi kandydatami były związki, w których jony litu są otoczone jonami siarki lub tlenu. Jednak w czasopiśmie "Advanced Energy Materials" szwajcarsko-polski zespół naukowców przedstawił nową klasę związków, w których nośnikami ładunku są jony litu przemieszczające się w środowisku jonów NH2 i BH4.

Część eksperymentalna projektu badawczego została przeprowadzona w Empa, Szwajcarskich Federalnych Laboratoriach ds. Badań i Technologii Materiałów w Dübendorf, a także na Uniwersytecie Genewskim. Osobą odpowiedzialną za teoretyczny opis mechanizmów prowadzących do wyjątkowo wysokiej przewodności jonowej nowego materiału był prof. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

"Mamy do czynienia z amide-borowodorkiem litu, substancją uprzednio uważaną za niebędącą zbyt dobrym przewodnikiem jonowym. Związek ten wytwarza się przez zmielenie dwóch składników w stosunku 1 do 3. Dotychczas nikt nie sprawdził, co się dzieje, gdy te proporcje ulegną zmianie. Odkryliśmy, że zmniejszenie ilości grup NH2 do pewnego limitu znacząco poprawia przewodnictwo, wzrasta ono tak bardzo, że staje się porównywalne do przewodnictwo ciekłych elektrolitów! " - mówi profesor Łodziana.

Odkrycie to otwiera zupełnie nowy kierunek w badaniach nad stały elektrolitem. Okazuje się że nacisk powinien być kładziony nie tyle na składniki związku, ile na proporcje między nimi.

Jakkolwiek, minie jeszcze wiele czasu zanim tego typu baterie wejdą w użycie, przeprowadzić należy bowiem liczne badania. Na przykład, jak tłumaczy profesor Łodziana, nie powinna zachodzić żadna reakcja między elektrolitem a materiałem, z którego stworzona jest elektroda, żeby nie doprowadzić do jej degradacji. Ten problem czeka wciąż na swoje rozwiązanie.

Perspektywy badawcze są jednak obiecujące. Naukowcy z Empy, UG i IFJ PAN nie ograniczają się tylko do charakteryzowania właściwości fizyko-chemicznych nowego materiału. Związek stosowano także jako elektrolit w typowym półogniwie Li4Ti5O12. Działało ono prawidłowo. Podjęto również obiecujące kroki w celu rozwiązania kolejnej ważnej kwestii. Bromowodorek litu opisany w publikacji wykazuje doskonałą przewodność jonową tylko w około 40 °C. W najnowszych eksperymentach została ona już obniżona do temperatury pokojowej.

Teoretycznie jednak nowy materiał pozostaje wyzwaniem. Do tej pory skonstruowano modele substancji, w których jony litu przemieszczają się w środowisku atomowym. W nowym materiale jony poruszają się wśród lekkich cząsteczek, które dostosowują swoją orientację, aby ułatwić ruch litowy.

"W zaproponowanym modelu doskonała przewodność jonowa jest konsekwencją specyficznej budowy siatki krystalicznej badanego materiału, która w rzeczywistości składa się z dwóch podwarstw. Okazuje się, że jony litu są obecne tylko w jednej z nich. W odpowiednich warunkach jony przechodzą w drugą pustą sieć, gdzie mogą poruszać się swobodnie "- tłumaczy prof. Łodziana.

Niniejszy opis teoretyczny wyjaśnia tylko niektóre z obserwowanych cech nowego materiału. Mechanizmy odpowiedzialne za wysoką przewodność są z pewnością bardziej złożone. Ich lepsze zrozumienie powinno znacznie przyspieszyć poszukiwanie optymalnych związków dla elektrolitu w stanie stałym, a tym samym skrócić proces komercjalizacji nowych źródeł energii, które najprawdopodobniej zrewolucjonizują przenośną elektronikę.

(KB)