Baterie mogą być jeszcze lepsze. Naukowcy dokładniej się im przyjrzeli
Naukowcy z University of Oxford pokazali technikę barwienia, która ujawnia rozmieszczenie spoiw w anodach Li-ion. Wyniki wskazują na nawet 40 proc. spadek oporu jonowego i szybsze ładowanie.
Zespół z Uniwersytetu Oksfordzkiego opracował zaawansowaną metodę barwienia, która pozwala precyzyjnie zobaczyć, gdzie w elektrodach litowo-jonowych znajdują się polimerowe spoiwa. To elementy spajające materiał anody, zwykle poniżej 5 proc. jej masy, które jednak silnie wpływają na przewodnictwo, wytrzymałość i trwałość cykliczną. Badanie opublikowano 17 lutego w „Nature Communications”.
Jak technika barwienia może doprowadzić do lepszych baterii?
Naukowcy dołączyli znaczniki srebra i bromu do popularnych spoiw na bazie celulozy i lateksu w anodach grafitowych oraz krzemowych. Dzięki temu lepiszcza emitują charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie (EDX) lub odbijają elektrony o wysokiej energii (ESB), co umożliwia ich mapowanie w skaningowym mikroskopie elektronowym. Ujawnienie rozkładu spoiw otwiera drogę do ich świadomej kontroli podczas mieszania i suszenia.
Tak zbroi się polskie wojsko. Technologie z krajowych fabryk
Ta technika barwienia otwiera zupełnie nowe narzędzia do zrozumienia, jak nowoczesne spoiwa zachowują się podczas produkcji elektrod. Po raz pierwszy możemy dokładnie zobaczyć rozkład tych spoiw nie tylko całościowo (czyli ich grubość w całej elektrodzie), ale także lokalnie, jako warstawy spoiw i klastry w nano skali i korelować je z wydajnością anody - powiedział główny autor pracy dr Stanisław Zankowski z Wydziału Materiałoznawstwa Uniwersytetu Oskfordzkiego.
Czego naukowcy dowiedzieli się o trwałości ogniw?
Zastosowanie obrazowania pokazało, że nawet subtelne zmiany w rozkładzie lepiszcza istotnie modyfikują efektywność ładowania oraz żywotność. Korekty etapów mieszania i suszenia pasty obniżyły wewnętrzny opór jonowy elektrod testowych nawet o 40 proc., co usuwa jedną z głównych barier szybkiego ładowania. Metoda pozwoliła też wykrywać ultra-cienkie, ok. 10 nm warstwy karboksymetylocelulozy (CMC) na cząstkach grafitu.
Obrazy o rozpiętości czterech rzędów wielkości ujawniły, że początkowo jednolita powłoka CMC w trakcie procesu może rozpadać się na niejednorodne, „łatkowe” fragmenty. Taka segmentacja może osłabiać stabilność strukturalną i przewodnictwo, wpływając na trwałość cykliczną. Technika działa zarówno dla standardowych anod grafitowych, jak i zaawansowanych materiałów, takich jak krzem czy SiOx, więc wspiera obecne i przyszłe projekty ogniw.
"Wielodyscyplinarny wysiłek dotyczący chemii, mikroskopii elektronowej, testów elektrochemicznych i modelowania zaowocował innowacyjnym podejściem obrazowania, które pomoże nam zrozumieć podstawowe procesy powierzchniowe, które wpływają na żywotność i wydajność baterii. To napędzi przełomy w wielu zastosowaniach baterii." - podkreślił współautor prof. Patrick Grant z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Prace wsparł projekt Faraday Institution Nextrode, a rozwiązaniem interesują się już producenci baterii i samochodów elektrycznych, co może zaowocować lepszymi rozwiązaniami sprzętowymi.
