Νέα μέθοδος από πανεπιστήμιο στη Ν. Κορέα λύνει ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στο σχεδιασμό μπαταριών - «Κλειδώνει» τα υλικά επιτυγχάνοντας ομοιογένεια σε νανοκλίμακα μεταξύ των οξειδίων μετάλλων (interestingengineering.com)
Οι ερευνητές αποκάλυψαν μια γρήγορη, φιλική προς το περιβάλλον τεχνική που θα μπορούσε να μεταμορφώσει την παραγωγή μπαταριών λιθίου.
Η μέθοδος, που δημιουργήθηκε από μια ομάδα του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTECH) στη Νότια Κορέα, παρέχει πλήρη ανάκτηση διαλύτη για την παραγωγή βιώσιμων υλικών, βελτιώνοντας παράλληλα τη μεταφορά ηλεκτρονίων και ιόντων και την ικανότητα αποθήκευσης λιθίου.
Πρόκειται για τη CISA που σχηματίζει γρήγορα πορώδη οξείδια μετάλλων με ομοιόμορφους πόρους και μεγάλη επιφάνεια σε 5 δευτερόλεπτα, χρησιμοποιώντας ανακυκλώσιμη, φιλική προς το περιβάλλον, ακετόνη.
Τι παρέχει η νέα ανακάλυψη μπαταριών
Σύμφωνα με τους ειδικούς, η ανακάλυψη λύνει ένα μακροχρόνιο πρόβλημα στο σχεδιασμό μπαταριών, επιτυγχάνοντας ομοιογένεια σε νανοκλίμακα μεταξύ των οξειδίων μετάλλων (αποθηκεύουν αποτελεσματικά το λίθιο) και των υλικών με βάση τον άνθρακα ή MXene τα οποία επιτρέπουν την ταχεία ροή ηλεκτρονίων.
Πρόσφατα, Κορεάτες ερευνητές ανέπτυξαν μια εξαιρετικά λεπτή επίστρωση ιόντων αργύρου που αποτρέπει τον σχηματισμό δενδριτών σε μπαταρίες λιθίου-μετάλλου, βελτιώνοντας την ασφάλεια, τη διάρκεια ζωής και τις δυνατότητες εμπορευματοποίησης για την αποθήκευση ενέργειας επόμενης γενιάς.
Σχεδιασμός ανόδου επόμενης γενιάς
Οι παραδοσιακές μέθοδοι κατασκευής συχνά αποτυγχάνουν να διατηρήσουν την ομοιομορφία σε νανοκλίμακα στην παραγωγή ηλεκτροδίων λιθίου.
Η αργή εξάτμιση του διαλύτη προκαλεί συσσωμάτωση σωματιδίων και κατάρρευση πόρων, αποδυναμώνοντας τις ακριβείς δομές που απαιτούνται για την αποτελεσματική αποθήκευση ενέργειας.
Η αυτοσυναρμολόγηση που προκαλείται από εξάτμιση (EISA) στην οποία οι πρόδρομοι μετάλλων και τα πολυμερή δημιουργούν μεσοπορώδη πλαίσια καθώς ο διαλύτης στεγνώνει, είναι μια τεχνική αυτοσυναρμολόγησης που έχουν διερευνήσει οι ερευνητές για να αντιμετωπίσουν αυτό το ζήτημα.
Η EISA είναι αργή, δύσκολη στη ρύθμιση και επιρρεπής σε ανομοιόμορφη ανάμειξη.
Η επεκτασιμότητα παρεμποδίζεται επίσης από τη χρήση επικίνδυνων, μη ανακυκλώσιμων διαλυτών σε πολλές διεργασίες.
Η επίτευξη γρήγορης, συνεπούς αυτοσυναρμολόγησης σε διάλυμα χωρίς εξάτμιση παρέμεινε μια σημαντική δυσκολία, παρά τις εξελίξεις στην προτυποποίηση συμπολυμερών μπλοκ, στη χημεία αλκοξειδίων μετάλλων και στα νανοϋλικά.
Μέθοδος γρήγορης αυτοσυναρμολόγησης
Προσφέροντας μια λύση, η έρευνα του POSTECH αναφέρει μια μέθοδο γρήγορης αυτοσυναρμολόγησης που ονομάζεται αυτοσυναρμολόγηση που προκαλείται από συμπύκνωση (CISA).
Αντί για αργή ξήρανση με διαλύτη, χρησιμοποιεί αντιδράσεις μεταλλικών αλκοξειδίων για να οργανώσει τα υλικά μέσα σε δευτερόλεπτα, δημιουργώντας ομοιόμορφα, πορώδη οξείδια μετάλλων με καλά αναμεμειγμένα μονοδιάστατα και δισδιάστατα αγώγιμα νανοϋλικά για καλύτερη αποθήκευση λιθίου.
«Η προσέγγισή μας χρησιμοποιεί την αντίδραση συμπύκνωσης μεταλλικών αλκοξειδίων ως κινητήρια δύναμη για αυτοσυναρμολόγηση, επιτρέποντας τον σχηματισμό ομοιόμορφων μεσοπορωδών μεταλλικών οξειδίων μέσα σε λίγα μόνο δευτερόλεπτα», δήλωσε στο Nanowerk ο Jin Kon Kim (καθηγητής στο POSTECH και επικεφαλής της έρευνας).
Επιταχυνόμενη κατασκευή υλικών
Στη διαδικασία CISA, ένα μπλοκ συμπολυμερές (PS-b-PEO) διαλυμένο σε εξαιρετικά όξινη ακετόνη, πυροδοτεί ταχεία υδρόλυση και συμπύκνωση μεταλλικών αλκοξειδίων όπως το αιθοξείδιο του νιοβίου.
Αυτή η χημική αντίδραση προκαλεί το διάλυμα να σχηματίσει μικκύλια που συσσωματώνονται γρήγορα σε ένα μαλακό πήκτωμα, αργότερα στερεοποιούμενα σε μια πορώδη δομή οξειδίου.
Η αντίδραση ολοκληρώνεται σε περίπου 5 δευτερόλεπτα (πολύ πιο γρήγορα από τις μεθόδους που βασίζονται στην εξάτμιση), κλειδώνοντας όλα τα συστατικά πριν από τον διαχωρισμό.
Το CISA ενσωματώνει αγώγιμα νανοϋλικά όπως MXenes και νανοσωλήνες άνθρακα κατά τη συναρμολόγηση για να εγγυηθεί ομοιόμορφη κατανομή σε όλη τη μήτρα οξειδίου χωρίς κατάρρευση πόρων.
Το σύνθετο οξείδιο νιοβίου-MXene που προκύπτει ξεπέρασε τα συμβατικά υλικά που βασίζονται στην εξάτμιση στην απόδοση μπαταριών ιόντων λιθίου, παράγοντας 163 mAh/g στα 1 A/g και διατηρώντας 115 mAh/g μετά από 1.000 κύκλους.
Επιπλέον, πειράματα σύνθετης αντίστασης επιβεβαίωσαν αυξημένη διάχυση ιόντων και κινητικότητα ηλεκτρονίων.
Μέθοδος φιλική προς το περιβάλλον
Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι αυτή η μέθοδος που βασίζεται στην αντίδραση, προσφέρει κλιμακούμενη, ενεργειακά αποδοτική σύνθεση νανοδομημένων υλικών υποκαθιστώντας τον λεπτό χημικό έλεγχο με αργή φυσική ξήρανση.
Μέσω γρήγορης, φιλικής προς το περιβάλλον σύνθεσης, η CISA έχει τη δυνατότητα να δημιουργήσει καταλύτες υψηλής απόδοσης, αισθητήρες και άλλα λειτουργικά υλικά, εκτός από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
www.worldenergynews.gr
