Pietų Korėjos mokslininkai pristatė naują ličio–metalo akumuliatorių technologiją, kuri gali dar labiau priartinti elektromobilius prie itin greito įkrovimo ir ilgesnio nuvažiuojamo atstumo.
Šis proveržis buvo paskelbtas vasario 25 dieną Korėjos pažangiojo mokslo ir technologijų institute. Tai reikšmingas žingsnis siekiant išspręsti vieną sudėtingiausių naujos kartos akumuliatorių problemų.
Elektromobilių paklausai sparčiai augant visame pasaulyje, automobilių gamintojai ieško sprendimų, kurie leistų sukaupti daugiau energijos vienam kilogramui svorio ir akumuliatorius įkrauti per minutes, o ne valandas. Ličio–metalo akumuliatoriai laikomi perspektyvia ličio jonų technologijos įpėdine, nes teoriškai gali užtikrinti gerokai didesnį energijos tankį. Vis dėlto jų komercinį pritaikymą iki šiol ribojo saugumo ir ilgaamžiškumo iššūkiai.
Kodėl ličio–metalo akumuliatoriams taip sunku?
Didžiausi sunkumai išryškėja įkrovimo metu. Ličiui būdinga formuoti smulkias, adatėles primenančias struktūras, vadinamas dendritais. Šie aštrūs kristalai gali pramušti vidinius akumuliatoriaus sluoksnius, sukelti trumpuosius jungimus, spartų talpos mažėjimą ir net gaisrus.
Problema glaudžiai susijusi su vadinamuoju fazių sandūros nestabilumu, kuris atsiranda elektrodo ir elektrolito sąlyčio vietoje. Kartojantis įkrovimo ir iškrovimo ciklams, ši sandūra tampa nelygi, todėl ličio jonai ima kauptis netolygiai. Tai skatina dendritų susidarymą ir didina šiluminio nestabilumo riziką.
Net ir esant vidutinėms darbo sąlygoms, užtikrinti tolygų ličio judėjimą elektrodo paviršiumi yra sudėtinga. Daugelyje tyrimų srovės tankis apie 4 mA/cm² jau laikomas aukštu. Tokį nestabilumą įveikti būtina, jei ličio–metalo akumuliatoriai turi tapti praktiškai tinkami elektromobiliams.
Išmani apsauginė plėvelė keičia srovės pasiskirstymą
Tyrimų grupei vadovavo profesorė Nam-Soon Choi ir profesorius Seungbum Hong, bendradarbiaudami su profesoriaus Sang Kyu Kwak komanda. Jie problemą sprendė elektroninės struktūros lygmeniu, o ne vien tradiciniais medžiagų modifikavimo metodais.
Į elektrolitą įvedus tiofeną, ant ličio paviršiaus susiformavo vadinamoji išmani apsauginė plėvelė. Skirtingai nei įprastos, statinės dangos, ši plėvelė gali dinamiškai persitvarkyti, keisdama savo elektroninę struktūrą pagal vykstančius procesus.
Judant ličio jonams, kinta ir krūvio pasiskirstymas plėvelėje. Tyrėjai šį veikimą palygino su išmania eismo valdymo sistema, kuri reguliuoja eismo juostas pagal srautus. Dėl tokio prisitaikymo susidaro stabilūs ličio jonų judėjimo keliai, sumažėja netolygus jų kaupimasis, o kartu slopinamas dendritų augimas.
Naudodami tankio funkcionalo teorijos skaičiavimus, mokslininkai patvirtino, kad šis priedas užtikrina gerokai didesnį sandūros stabilumą nei šiuo metu plačiai taikomi komerciniai elektrolito priedai. Praktinis rezultatas – veiksmingas dendritų augimo slopinimas net ir esant agresyvioms įkrovimo sąlygoms.
Stabilus veikimas ekstremalaus įkrovimo metu
Tyrėjai pademonstravo, kad akumuliatorių galima įkrauti maždaug per 12 minučių, dirbant esant didesniam nei 8 mA/cm² srovės tankiui. Toks lygis yra artimas realiems elektromobilių greitojo įkrovimo poreikiams ir staigaus, galingo pagreičio režimams.
Norėdama tiksliai įvertinti procesus akumuliatoriaus viduje, komanda pasitelkė in situ atominės jėgos mikroskopiją, leidžiančią stebėti ličio nusodinimą nanometrų masteliu. Net ir esant didelei srovei, ličio nusodinimas ir pašalinimas vyko tolygiai per visą paviršių, o tai patvirtino mechaninį ir struktūrinį stabilumą.
Svarbu ir tai, kad technologija suderinama su plačiai naudojamomis katodų medžiagomis, įskaitant ličio geležies fosfatą, ličio kobalto oksidą bei ličio nikelio–kobalto–mangano oksidą. Kadangi sprendimas dera su esamomis akumuliatorių cheminėmis sistemomis, teoriškai jį būtų galima diegti dabartinėse elektromobilių gamybos linijose.
Profesorė Choi pabrėžė, kad šis darbas nėra vien nedidelis medžiagos patobulinimas: tai bandymas spręsti pačią problemos šaknį, akumuliatoriaus stabilumą didinant per elektroninės struktūros projektavimą. Jos teigimu, ši technologija gali tapti svarbia ateities elektromobilių akumuliatorių platforma, vienu metu užtikrinančia ir itin greitą įkrovimą, ir ilgą tarnavimo laiką.
