Tyrėjai iš „Columbia University School of Engineering and Applied Science“ sukūrė naują gelinį elektrolitą anodo neturinčioms ličio jonų baterijoms, kuris reikšmingai pagerina jų saugą ir ilgaamžiškumą. Kurdami šį sprendimą, mokslininkai turėjo iš naujo permąstyti polimerinių elektrolitų ir ličio jonų sąveiką nanomasteliu.
Auganti elektrifikacijos paklausa šiandien tenkinama naudojant didžiausią energijos tankį pasiekusią žmonijos sukurtą energijos kaupimo technologiją – ličio jonų baterijas. Anodo neturinčios ličio jonų baterijos žada dar didesnį energijos tankį nei tradicinės, turinčios anodą, ir tai pasiekiama mažesnėmis sąnaudomis.
Vis dėlto ši technologija iki šiol neatskleidė viso savo potencialo dėl tokių problemų, kaip nestabilus ličio nusodinimas ir nepageidaujamos reakcijos elektrodo bei elektrolito sandūroje. Šie reiškiniai trumpina baterijos eksploatacijos trukmę ir kelia saugumo riziką.
Profesoriaus Juāno Jango („Yuan Yang“), taikomosios fizikos ir matematikos docento iš „Columbia University“, vadovaujama tyrėjų komanda sprendimą šioms problemoms rado panaudodama gelinį elektrolitą.
Jonų solvatacijos pertvarkymas
Naujojo gelinio elektrolito sudėtyje mokslininkai panaudojo parazitinį, druskas atstumiantį (angl. salt-phobic) polimerinį tinklą, kuris selektyviai atstumia ličio jonus, bet pritraukia tirpiklio molekules. Toks požiūris leidžia elektrolitą nanomasteliu suskaidyti į skirtingos sudėties sritis. Dėl to ant ličio paviršiaus susidaro apsauginis sluoksnis.
Ankstesniuose bandymuose tyrėjai naudojo stipriai fluoruotus elektrolitus, tačiau jiems nepavyko taip veiksmingai pasiekti tokio fazių persiskirstymo. Geliniame polimeriniame elektrolite ličio jonai priversti stipriau koordintuotis su anionais, o ne su tirpiklio molekulėmis.
Norėdami geriau suprasti gelinio elektrolito vaidmenį, mokslininkai pasitelkė spektroskopiją, kriogeninę elektroninę mikroskopiją ir molekulinį modeliavimą. Jie nustatė, kad gelinis polimerinis tinklas skatina susidaryti plonam, neorganinių junginių praturtintam tarpiniam sluoksniui, kuris užtikrina tolygesnį ir tankesnį ličio nusodinimą.
Be to, šis tinklas slopina parazitines reakcijas, kurios anodo neturinčiose celėse sunaudoja aktyvųjį litį, taip padėdamas įveikti ilgalaikio stabilumo problemas, būdingas tokio tipo baterijų architektūrai.
Baterijų veikimo pagerėjimas
Laboratoriniuose bandymuose nustatyta, kad naujasis gelinis elektrolitas, esant sąlygoms, artimoms realioms eksploatacijos sąlygoms, išsaugojo daugiau nei 80 % pradinės baterijos talpos. Tačiau privalumai tuo nesibaigia – šis elektrolitas taip pat pagerino baterijų terminį stabilumą.
Atliekant piktnaudžiavimo (angl. abuse) bandymus, daugiasluoksnės maišelio tipo celės su geliniu elektrolitu atlaikė intensyvų gręžimą nesukeldamos terminio išsiveržimo. Priešingai, baterijos su įprastais skystais elektrolitais tokiuose bandymuose užsidegdavo arba net sprogdavo.
„Šie rezultatai rodo, kad polimerų chemija gali būti galinga ir dar nepakankamai išnaudota priemonė solvatacijos struktūrai ir sąsajų stabilumui valdyti“, – teigia prie darbo prisidėjęs podoktorantūros stažuotojas Šengju Kongas („Shengyu Cong“).
Tyrimas taip pat parodė, jog baterijų veikimo gerinimą galima pasiekti ne tik kuriant naujas elektrolitų formules, bet ir inžineriniais sprendimais, formuojant norimą nanomastelio aplinką elektrolite.
„Integruodami saugą ir ilgaamžiškumą tiesiai į elektrolito architektūrą, galime priartinti anodo neturinčias baterijas prie realaus pritaikymo“, – pridūrė Jangas („Yang“).
Mokslininkai įsitikinę, 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.
