Naujo tipo sausasis elektrodas, sukurtas Čikagos universiteto mokslininkų, gali padėti ličio jonų baterijas padaryti pigesnes, švaresnes ir galingesnes.
Baterijų gamintojai jau seniai siekia pereiti prie sausųjų gamybos procesų, kad būtų atsisakyta toksiškų tirpiklių, naudojamų tradiciniame šlapiame elektrodų gamybos būde. Sausasis metodas leidžia mažinti išlaidas, supaprastina gamybą ir sumažina poveikį aplinkai. Dabar mokslininkai teigia, kad šis metodas gali pagerinti ir pačių baterijų veikimą.
Čikagos universiteto Prickero molekulinės inžinerijos mokyklos komanda nustatė, kad sausuoju būdu pagaminti elektrodai pasižymi geresniu laidumu, gali būti gaminami storesni ir užtikrina stabilesnį darbą esant aukštai įtampai, palyginti su tradiciniais elektrodais, formuojamais iš šlapių mišinių.
Tyrimo rezultatai rodo, kad sausasis procesas yra ne vien gamybos patobulinimas, bet ir medžiagų mokslo proveržis, galintis turėti įtakos būsimų elektrinių transporto priemonių baterijų konstrukcijai.
Ne tik mažesnė kaina ir švaresnis procesas
Įprastinėje baterijų gamyboje aktyviosios medžiagos, anglies priedai ir rišikliai sumaišomi į skystą masę, kuri užnešama ant metalinės folijos ir išdžiovinama. Šis procesas priklauso nuo kenksmingų tirpiklių, be to, tampa mažiau efektyvus, kai reikia gaminti storesnius elektrodus.
Sausasis metodas visiškai panaikina tirpiklio naudojimo etapą. Nors toks būdas buvo tirtas ir anksčiau, Čikagos universiteto komanda aptiko netikėtą pranašumą, susijusį su pačia medžiagos struktūra.
„Mūsų darbas parodė, kad sausasis metodas ne tik suteikia akivaizdžių privalumų, bet ir pagerina pačios baterijos veikimą. Baterija tampa patvaresnė, galima pagaminti storesnį elektrodą su geresniu laidumu, o veikimas esant aukštai įtampai tampa stabilesnis – tai labai nustebino“, – teigė Čikagos universiteto Prickero molekulinės inžinerijos mokyklos mokslo darbuotojas ir pirmasis tyrimo autorius Minghao Zhang.
Mokslininkai nustatė unikalią sąveiką tarp dviejų komponentų, kurie įprastai laikomi veikiančiais atskirai: anglies laidumo priedo ir polimerinio rišiklio, kuris sujungia visą elektrodo struktūrą.
„Tradiciškai manoma, kad anglis ir rišiklis atlieka savo funkcijas nepriklausomai vienas nuo kito“, – aiškino Zhang.
„Mes nustatėme, kad sausojo proceso metu tarp rišiklio ir anglies priedo atsiranda sinergetinis efektas. Dėl šios unikalios cheminės sąveikos laidžioji anglies struktūra sausajame procese yra daug geriau sujungta nei šlapiame.“
Stabilumas esant aukštai įtampai
Aukštos įtampos režimas yra itin svarbus siekiant padidinti baterijų energijos tankį, tačiau dažnai sukelia nepageidaujamas šalutines reakcijas, ypač susijusias su labai reaktyviais anglies priedais.
Tyrėjai nustatė, kad sausuoju būdu pagamintame elektrode rišiklis iš dalies padengia anglies paviršių. Taip sumažinamas anglies reaktyvumas ir slopinamos šalutinės reakcijos, baterijai dirbant aukštos įtampos režimu.
„Nustatėme, kad šalutinės reakcijos esant aukštai įtampai pirmiausia kyla dėl anglies priedo, nes ši sudedamoji dalis yra labai reaktyvi. Tačiau dėl sinergetinio efekto nereaaktyvus rišiklis padengia arba iš dalies padengia anglies paviršių. Taip sumažinamas anglies reaktyvumas ir aukštos įtampos šalutinės reakcijos. Dėl to baterija gali puikiai cikluotis aukštoje įtampoje, patirdama tik minimalias šalutines reakcijas“, – aiškino Zhang.
Mokslininkams netikėtas buvo ir pagerėjęs struktūrinis bei cheminis stabilumas.
„Sausieji elektrodai iš tiesų supaprastina gamybą, tačiau iki šio darbo nė neįsivaizdavome, kad jie taip pat unikaliu būdu prisideda prie stabilumo cikluojant aukšta įtampa“, – sakė Zhang.
Liew šeimos profesorė, Čikagos universiteto Prickero molekulinės inžinerijos mokyklos mokslininkė Shirley Meng, pagrindinė tyrimo bendraautorė, pabrėžė praktinę šio darbo reikšmę.
„Šis tyrimas ne tik priartina mus prie greitai įkraunamų, itin efektyvių ir galingų elektromobilių baterijų – jis kartu praplečia ir fundamentines mokslo žinias“, – teigė Meng.
Šiuo metu tyrėjų komanda siekia dar labiau optimizuoti elektrodo mikrostruktūrą, kad ličio jonai galėtų judėti greičiau, o įkrovimo trukmė dar labiau sutrumpėtų.
