Našel način, kako povečati zmogljivost litij-ionskih baterij za 10-krat

Po vsem svetu desetine raziskovalnih skupin išče možnosti za znatno povečanje kapacitete litij-ionskih baterij. Vnos silicija v strukturo velja za obetavno smer, vendar njegova krhkost, krhkost spojin na njeni osnovi in ​​drugi problemi tega dolgo časa niso omogočali.

A zdi se, da so znanstveniki na Japonskem uspeli najti rešitev za problem silicija. Pripravili so novo zasnovo anode, izdelane iz silicijevih lokov nano velikih velikosti, ki dajejo potrebno trdnost in vzdržljivost.

Sodobne litij-ionske baterije in njihove slabosti

Za začetek nekaj besed o tem, kako delujejo litij-ionske baterije. Kot veste, je baterija sestavljena iz para elektrod (katoda in anoda) in elektrolitske raztopine. Glavna naloga elektrolita je torej prenos litijevih ionov med katodo in anodo, ki je ravno narejena iz grafita.

Tako se med polnjenjem akumulatorja litijevi ioni premikajo po poti katoda-raztopina-anoda. V procesu praznjenja se gibanje ionov dogaja v nasprotni smeri.

Ta zasnova se je dobro izkazala in deluje že več kot ducat let. Toda glavna pomanjkljivost celotne odpravljene zasnove je v tem, da je treba v grafitni anodi za shranjevanje enega litijevega iona uporabiti šest atomov ogljika hkrati. Zaradi tega imajo te baterije nizko energijsko gostoto.

Silicij in njegove uporabe

Kljub temu, če pogledamo tak material, kot je silicij, se lahko eden od njegovih atomov veže s štirimi litijevimi ioni hkrati, kar daje skoraj 10-krat večjo gostoto energije. Zdi se, da je vse v redu, vendar znanstveniki še vedno niso mogli stabilizirati silicija.

Ker je nagnjen k znatnemu širjenju (do 400% prvotne prostornine), krčenja in razbijanje med delovanjem akumulatorja, potem so vsi ti deformacijski učinki uničili silicijeve anode dovolj hitro.

Raziskovalna skupina z Inštituta za podiplomsko tehnologijo in tehnologijo Okinawa (OSIT) je predlagala svojo rešitev problema stabilizacije silicijeve anode. Inženirji so v iskanju zlate sredine izvedli celo vrsto poskusov s sloji silicija različnih debelin, v katerih bodo izpolnjeni pogoji visoke energijske gostote in stabilnosti akumulatorja.

Znanstveniki so ugotovili, da se s povečanjem silicijeve plasti najprej poveča togost, po določeni točki pa močno pade. Odločili smo se, da bomo podrobneje preučili razlog za tak prehod in to so znanstveniki lahko ugotovili.

Izkazalo se je, da ko se silicij odloži na kovinske nanodelce, začnejo nastajati drobni stebri v obliki obrnjenih stožcev, ki se zgostijo proti vrhu.

Izkazalo se je, da z odlaganjem vse večjega števila silicijevih atomov in s tem z rastjo stebrov postanejo tako široki, da se med seboj dotikajo in tako tvorijo obokano strukturo nanometra lestvica.

Takšna zgradba je precej močna in jo ljudje celo uporabljajo pri gradnji. In izkaže se, da je bila struktura, preden so nastali ti nano loki, precej šibka in njihova še večja rast ustvarja gobasto strukturo z luknjami, ki pa ni tako učinkovita.

In samo v trenutku nastanka takšnih lokov se ustvari tehtnica, ki omogoča povečano zmogljivost polnjenja in je sposobna prenesti veliko število ciklov polnjenja / praznjenja.

Zaenkrat še ni znano, kdaj bodo nove litij-ionske baterije s silicijevo anodo začele prodajati, vendar je dejstvo, da je ta smer obetavna, mogoče prepoznati že v tej fazi.

Vam je bil material všeč? Nato dvignite prst in se naročite na kanal. Hvala za vašo pozornost!