Uniwersytet w Michigan dokonał przełomu w akumulatorach ze stałym elektrolitem
Zespół badawczy z Uniwersytetu w Michigan(UofM) ogłosił przełomowy rozwój akumulatorów ze stałym elektrolitem który mógłby w przyszłości podwoić wydajność akumulatorów litowo-jonowych obecnie używanych.
Nowa chemia wykorzystuje elektrolit w stanie stałym i metaliczną anodę. Zgodnie z testami, możliwości ładowania wzrosły z typowych 20-50 godzin dla pełnego naładowania do zaledwie trzech, bez pogorszenia się stanu ogniw po 22 dniowym cyklu.
Baterie litowo-metalowe (znane od ok. 40 lat) nie są łatwe do ujarzmienia, mogą one się palić podczas ładowania. UofM stworzył ceramiczną warstwę Li7La3Zr2O12 (LLZO) dzięki czemu powierzchnia anody jest stabilizowana podczas cyklu. Ceramika ma również funkcję elektrolitu w stanie stałym. Jest to nadal wczesna faza rozwoju, ale kto wie, może ta nowa formuła stanie się sukcesem.
Artykuł UofM wyjaśnia różnice między konwencjonalnymi bateriami litowo-jonowymi a baterią z anodą litową i elektrolitem w stanie stałym.
„To może być przełom – zmiana paradygmatu w działaniu baterii” – powiedział Jeff Sakamoto, profesor inżynierii mechanicznej UofM, który kieruje badaniami.
W latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku akumulatory litowo-jonowe które wykorzystywały ciekłe elektrolity, uznano za kolejna wielką rzecz, wchodząc na rynek wczesnych telefonów przenośnych. Jednak skłonność baterii do spalania się podczas ładowania, poprowadziła inżynierów w różnych kierunkach. Atomy litu, które przemieszczają się między elektrodami, miały tendencję do budowania przypominających drzewo włókien zwanych dendrytami, na powierzchni elektrod, ostatecznie powodując zwarcie akumulatora i zapłon łatwopalnego elektrolitu.
Bateria litowo-jonowa – bardziej stabilna , ale o mniejszej energii, została wprowadzona w 1991 roku i szybko stała się nowy standardem. Baterie te zastąpiły Lit anodami grafitowymi, które pochłaniają lit i zapobiegają tworzeniu się dendrytów.
Grafit może pomieścić tylko jeden jon litowy na każde sześć atomów węgla, co daje mu pojemność właściwą około 350 mAh/g. Lit w stanie stałym ma pojemność właściwą 3800 mAh/g. Obecnie najlepsze akumulatory litowo-jonowe mogą posiadać gęstość energii na poziomie 600Wh/l, a baterie ze stały elektrolitem mogą podwoić tą wartość.
Aby rozwiązać problem związany z procesem spalania litu, inżynierowie UofM utworzyli warstwę ceramiczną, która stabilizuje dendryty i zapobiega pożarom. Umożliwia baterią czerpanie korzyści z posiadania stałego elektrolitu bez zagrożenia pożarem i degradacji w czasie.
„To co wymyśliliśmy, to inne podejście – fizyczna stabilizacja powierzchni metalowej za pomocą ceramiki” – powiedział Sakamoto.
„Do tej pory tempo w jakim można było obciążyć lit oznaczałoby, że musiałbyś ładować baterię samochodową przez 20-50 godzin. Dzięki temu przełomowi udowodniliśmy że można to zrobić w 3 godziny”
Ten proces ładowania nieuchronnie prowadzi do ostatecznej śmierci baterii litowo-jonowej. Wielokrotna wymiana jonów między katodą i anodą powoduje widoczną degradację zaraz po pierwszym użyciu.
Jednak podczas testowania ceramicznego elektrolitu nie obserwuje się widocznej degradacji po długotrwałym cyklu, powiedział Nathan Taylor, stażysta podyplomowy UofM w dziedzinie inżynierii mechanicznej.
„Zrobiliśmy ten sam test przez 22 dni” – powiedział. „Akumulator był taki sam na początku, jak na końcu. Nie zauważyliśmy żadnej degradacji. Nie znamy żadnego innego elektrolitu w stanie stałym, pełniącego tę funkcję przez tak długi czas”
Badania są finansowane przez agencję Advanced Research Project – Energy i Departament Energii.
