Tyrėjai iš „Columbia University School of Engineering and Applied Science“ sukūrė naują gelinį elektrolitą anodo neturinčioms ličio jonų baterijoms. Šis sprendimas reikšmingai pagerina tokių baterijų saugą ir ilgaamžiškumą. Kurdami technologiją, mokslininkai iš naujo įvertino polimerinių elektrolitų ir ličio jonų sąveiką nanomasteliu.
Auganti elektrifikacijos paklausa šiandien daugiausia tenkinama pasitelkiant didelį energijos tankį užtikrinančias ličio jonų baterijas. Anodo neturinčios ličio jonų baterijos žada dar didesnį energijos tankį nei tradiciniai sprendimai su anodu, o tai potencialiai leidžia pasiekti rezultatą ir mažesnėmis sąnaudomis.
Vis dėlto ši technologija iki šiol neatskleidė viso potencialo dėl kelių esminių problemų: nestabilaus ličio nusodinimo ir nepageidaujamų reakcijų elektrodo bei elektrolito sandūroje. Tokie procesai trumpina baterijų eksploatacijos trukmę ir didina saugumo riziką.
Profesoriaus Juano Jango („Yuan Yang“), taikomosios fizikos ir matematikos docento, vadovaujama tyrėjų komanda sprendimą šioms problemoms pasiūlė pritaikydama gelinį elektrolitą.
Jonų solvatacijos pertvarkymas
Naujojo gelinio elektrolito sudėtyje mokslininkai panaudojo druskas atstumiantį (angl. salt-phobic) polimerinį tinklą. Jis selektyviai atstumia ličio jonus, tačiau pritraukia tirpiklio molekules. Toks principas leidžia elektrolitą nanomasteliu suskaidyti į skirtingos sudėties sritis, o ant ličio paviršiaus susidaro apsauginis sluoksnis.
Ankstesniuose bandymuose buvo naudojami stipriai fluoruoti elektrolitai, tačiau jais nepavyko taip efektyviai pasiekti panašaus fazių persiskirstymo. Geliniame polimeriniame elektrolite ličio jonai priverčiami stipriau koordintuotis su anionais, o ne su tirpiklio molekulėmis.
Siekdami geriau suprasti gelinio elektrolito vaidmenį, mokslininkai pasitelkė spektroskopiją, kriogeninę elektroninę mikroskopiją ir molekulinį modeliavimą. Tyrimai parodė, kad gelinis polimerinis tinklas skatina formuotis plonam, neorganiniais junginiais praturtintam tarpiniam sluoksniui. Šis sluoksnis užtikrina tolygesnį ir tankesnį ličio nusodinimą.
Be to, tinklas slopina parazitines reakcijas, kurios anodo neturinčiose celėse sunaudoja aktyvųjį litį. Tai padeda spręsti ilgalaikio stabilumo problemas, būdingas tokios architektūros baterijoms.
Baterijų veikimo pagerėjimas
Laboratoriniai bandymai parodė, kad naujasis gelinis elektrolitas, esant sąlygoms, artimoms realiai eksploatacijai, išsaugojo daugiau nei 80 % pradinės baterijos talpos. Tačiau tai ne vienintelis privalumas: pastebėtas ir geresnis baterijų terminis stabilumas.
Atliekant piktnaudžiavimo (angl. abuse) bandymus, daugiasluoksnės maišelio tipo celės su geliniu elektrolitu atlaikė intensyvų gręžimą nesukeldamos terminio išsiveržimo. Tuo tarpu baterijos su įprastais skystais elektrolitais analogiškomis sąlygomis užsidegdavo arba net sprogdavo.
„Šie rezultatai rodo, kad polimerų chemija gali būti galinga ir dar nepakankamai išnaudota priemonė solvatacijos struktūrai ir sąsajų stabilumui valdyti“, – teigė prie darbo prisidėjęs podoktorantūros stažuotojas Šengju Kongas („Shengyu Cong“).
Tyrimas taip pat parodė, kad baterijų veikimą galima gerinti ne tik kuriant naujas elektrolitų formules, bet ir pasitelkiant inžinerinius sprendimus, leidžiančius elektrolite suformuoti norimą nanomastelio aplinką.
„Integruodami saugą ir ilgaamžiškumą tiesiai į elektrolito architektūrą, galime priartinti anodo neturinčias baterijas prie realaus pritaikymo“, – pridūrė Jangas („Yang“).
Mokslininkai mano, kad jų taikomas metodas gali būti pritaikytas ir kitoms, ne tik ličio jonų, baterijų technologijoms. Tai galėtų atverti kelią dar didesnio energijos tankio, pigesniems ir saugesniems energijos kaupimo sprendimams.
