Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης δημιούργησε μια προηγμένη τεχνική που καθιστά δυνατή την καθαρή προβολή ενός ζωτικού συστατικού μέσα στα ηλεκτρόδια των μπαταριών ιόντων λιθίου, το οποίο οι επιστήμονες δυσκολεύονταν να εντοπίσουν. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στις 17 Φεβρουαρίου στο Nature Communications, θα μπορούσαν να κάνουν την κατασκευή μπαταριών πιο αποτελεσματική και να βοηθήσουν στη βελτίωση τόσο της ταχύτητας φόρτισης όσο και της συνολικής διάρκειας ζωής των μπαταριών ιόντων λιθίου.
Τα αποτελέσματα της έρευνας
Η έρευνα επικεντρώθηκε σε πολυμερή συνδετικά υλικά που χρησιμοποιούνται στα αρνητικά ηλεκτρόδια των μπαταριών ιόντων λιθίου (άνοδοι). Αυτά τα συνδετικά υλικά λειτουργούν σαν κόλλα που συγκρατεί τα υλικά των ηλεκτροδίων. Παρόλο που αντιπροσωπεύουν λιγότερο από το 5% του συνολικού βάρους του ηλεκτροδίου, επηρεάζουν έντονα τη μηχανική αντοχή, την ηλεκτρική και ιοντική αγωγιμότητα, καθώς και το χρονικό διάστημα που μπορεί να λειτουργήσει μια μπαταρία μέσω επαναλαμβανόμενων κύκλων φόρτισης.
Επειδή τα συνδετικά υλικά υπάρχουν σε τόσο μικρές ποσότητες και δεν έχουν σαφείς οπτικές υπογραφές, οι επιστήμονες δυσκολεύτηκαν να προσδιορίσουν ακριβώς πού βρίσκονται μέσα στο ηλεκτρόδιο. Αυτό έχει περιορίσει τις προσπάθειες για τη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας, καθώς ο τρόπος με τον οποίο κατανέμονται τα συνδετικά υλικά επηρεάζει άμεσα την αγωγιμότητα, τη δομική σταθερότητα και τη μακροπρόθεσμη ανθεκτικότητα.
Η τεχνική χρώσης που εκκρεμεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας αποκαλύπτει κρυφή δομή
Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές σχεδίασαν μια προσέγγιση χρώσης που εκκρεμεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, η οποία προσαρτά ιχνηλάσιμους δείκτες αργύρου και βρωμίου σε ευρέως χρησιμοποιούμενα συνδετικά υλικά με βάση την κυτταρίνη και το λάτεξ σε ανόδους με βάση τον γραφίτη και το πυρίτιο. Μόλις επισημανθούν, τα συνδετικά υλικά μπορούν να ανιχνευθούν επειδή εκπέμπουν χαρακτηριστικές ακτίνες Χ (μετρούμενες με φασματοσκοπία ακτίνων Χ ενεργειακής διασποράς) ή αντανακλούν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας από την επιφάνεια του δείγματος (μετρούμενες με απεικόνιση ηλεκτρονίων με επιλεκτική ενεργειακή οπισθοσκέδαση).
Όταν παρατηρούνται με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, αυτά τα σήματα παρέχουν λεπτομερείς χάρτες για το πού βρίσκονται συγκεκριμένα στοιχεία και πώς φαίνεται η επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να αναλύουν την κατανομή των συνδετικών υλικών με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από πριν.
Ο επικεφαλής συγγραφέας Δρ. Stanislaw Zankowski (Τμήμα Υλικών, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) δήλωσε: «Αυτή η τεχνική χρώσης ανοίγει μια εντελώς νέα εργαλειοθήκη για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα σύγχρονα συνδετικά υλικά κατά την κατασκευή ηλεκτροδίων. Για πρώτη φορά, μπορούμε να δούμε με ακρίβεια την κατανομή αυτών των συνδετικών υλικών όχι μόνο γενικά (δηλαδή, το πάχος τους σε όλο το ηλεκτρόδιο), αλλά και τοπικά, ως στρώματα και συστάδες συνδετικών υλικών σε νανοκλίμακα, και να τα συσχετίσουμε με την απόδοση της ανόδου».
Η μέθοδος λειτουργεί με τυπικά ηλεκτρόδια γραφίτη καθώς και με προηγμένα υλικά όπως το πυρίτιο ή το SiOx, καθιστώντας την σχετική τόσο για τις τρέχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου όσο και για τα σχέδια επόμενης γενιάς.
Ταχύτερη φόρτιση και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής μπαταρίας
Εφαρμόζοντας το νέο εργαλείο απεικόνισης, η ομάδα ανακάλυψε ότι ακόμη και ανεπαίσθητες μετατοπίσεις στην κατανομή των συνδετικών υλικών μπορούν να αλλάξουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα της φόρτισης μιας μπαταρίας και τη διάρκεια ζωής της. Κατά τις δοκιμές, οι προσαρμογές στα βήματα ανάμειξης και ξήρανσης του πολτού μείωσαν την εσωτερική ιοντική αντίσταση των πειραματικών ηλεκτροδίων έως και 40% -- ένα σημαντικό εμπόδιο για την ταχεία φόρτιση.
Οι ερευνητές κατέγραψαν επίσης λεπτομερείς εικόνες εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων συνδετικού υλικού καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης (CMC) που επικαλύπτουν σωματίδια γραφίτη. Η τεχνική επέτρεψε την σαφή ανίχνευση στρωμάτων CMC πάχους μόλις 10 nm και οπτικοποίησε δομές που εκτείνονται σε τέσσερις τάξεις μεγέθους μέσα σε μία μόνο εικόνα. Οι εικόνες αποκάλυψαν ότι αυτό που ξεκινά ως ομοιόμορφη επίστρωση CMC μπορεί να διασπαστεί σε ανομοιόμορφα, θραύσματα κατά την επεξεργασία ηλεκτροδίων, γεγονός που μπορεί να αποδυναμώσει την απόδοση και τη σταθερότητα της μπαταρίας.
Ο συν-συγγραφέας καθηγητής Patrick Grant (Τμήμα Υλικών, Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης) δήλωσε: «Αυτή η διεπιστημονική προσπάθεια, που καλύπτει τη χημεία, την ηλεκτρονική μικροσκοπία, τις ηλεκτροχημικές δοκιμές και τη μοντελοποίηση, έχει οδηγήσει σε μια καινοτόμο προσέγγιση απεικόνισης που θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε βασικές επιφανειακές διεργασίες που επηρεάζουν τη μακροζωία και την απόδοση της μπαταρίας. Αυτό θα προωθήσει τις εξελίξεις σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών μπαταριών».
Το έργο υποστηρίχθηκε από το έργο Nextrode του Ινστιτούτου Faraday και έχει ήδη προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον από τη βιομηχανία, συμπεριλαμβανομένων των μεγάλων παραγωγών μπαταριών και των κατασκευαστών ηλεκτρικών οχημάτων.
www.worldenergynews.gr
