Atomski poremećaj za dizajn dugotrajnijih baterija

U SLAC-Stanford Battery Centru na američkom Sveučilištu Stanford, istraživači redizajniraju baterije, počevši od njihove atomske razine.

Njihov pristup održava materijale baterija stabilnima tijekom ciklusa punjenja, s manje od 1% skupljanja u usporedbi sa značajnom degradacijom u konvencionalnim baterijama.

Dizajn koristi standardne materijale i tehnike u industriji, što ga čini spremnim za brzo i veliko usvajanje od strane proizvođača baterija.

Današnju tehnologiju baterija muči degradacija. U litij-ionskim baterijama, na primjer, materijali unutar se šire i skupljaju tijekom svakog ciklusa, što u konačnici dovodi do raspadanja i ograničavanja vijeka trajanja baterije.

U SLAC-Stanford Battery Centru, partnerstvu između Precourt Instituta za energetiku Sveučilišta Stanford i SLAC Nacionalnog akceleratorskog laboratorija Ministarstva energetike, istraživači rade na promjeni toga na atomskoj razini.

Istraživački tim otkrio je da uvođenjem kontrolirane količine djelomičnog "poremećaja" u materijale litij-ionskih baterija mogu stvoriti stabilne materijale za baterije koji se ne šire niti skupljaju.

Tim je objavio rad u časopisu Nature Energy koji je pokazao da ove baterije imaju potencijal trajati dulje od onih koje se danas koriste.

Nalazi su dio šireg napora centra za razvoj novih pravila dizajna na atomskoj razini za skladištenje energije sljedeće generacije.

Arhitektura baterije općenito uključuje dvije elektrode, anodu, koja zadržava ione dok se baterija puni, i katodu, u koju se ioni oslobađaju dok se baterija prazni. Otopina elektrolita prebacuje ione naprijed-natrag tijekom punjenja i pražnjenja.

Sastav katode uglavnom određuje gustoću energije baterije. Jedan uobičajeni tip dizajna katode koristi slojevite oksidne materijale, koji su izrađeni od naizmjeničnih slojeva litija i prijelaznih metala, s ionima kisika koji ih lijepe zajedno.

Iako su učinkoviti za pohranu energije, ovi slojevi imaju tendenciju skupljanja i širenja kada se baterija puni i prazni. To uzrokuje propadanje baterije tijekom vremena i na kraju kvar. 

Kako bi zaobišli ovo, istraživači su krenuli od temelja. Nisu se htjeli oslanjati na nove materijale i složene modifikacije sastava koje bi bilo teško integrirati u trenutni proces proizvodnje baterija.

Umjesto toga, usmjerili su se na široko korišteni katodni materijal, slojeviti oksid nikla, i promijenili način na koji su atomi slojeviti na atomskoj razini. Istraživači su već znali da uklanjanje litija s katode dok se baterija puni uzrokuje skupljanje strukture. Umetanje atoma koji nisu litij u sloj jedna je od strategija za sprječavanje kolapsa.

Tim je oslobodio malu količinu kisika dok se baterija prvi put punila, što je uzrokovalo migraciju dijela nikla između atomskih slojeva. Ti atomi nikla formirali su "stupove" koji pružaju dodatnu strukturnu potporu slojevitoj strukturi katode.

Kako bi provjerio ove rezultate, tim je koristio Stanfordski sinkrotronski izvor zračenja (SSRL) u SLAC-u, koristeći izuzetno svijetle rendgenske zrake za proučavanje materijala na atomskoj i molekularnoj razini, što je pružilo izravne dokaze za dizajnirano oslobađanje kisika i rezultirajuću stabilizaciju materijala.

Ova stabilna struktura katodnog materijala postiže se jednostavnim korakom elektrokemijske aktivacije tijekom prvog ciklusa, što je čini vrlo pogodnom za proizvodnju, jer, kako kažu, „svaki korak uključuje procese koji su već industrijski standard, tako da ima potencijal za povećanje proizvodnje.“

U budućnosti, tim planira dodatno optimizirati dizajn, povećavajući gustoću snage katode, koliko brzo može osloboditi energiju, dok istovremeno testira druge potencijalne materijale.

Kao dio šire misije SLAC-Stanford Battery Centra, cilj je iskoristiti snage SLAC-a i Stanforda kako bi se povećala obilnost izvora energije i poboljšala energetska otpornost.