Naukowcy z University of Maryland (Stany Zjednoczone) znaleźli sposób na wytwarzanie stałego elektrolitu o wysokiej przepuszczalności jonów. Stworzona przez nich warstwa gwarantuje przepuszczalność o rzędy wielkości lepszą niż inne stałe elektrolity i zbliżoną do przepuszczalności ogniw Li-ion z ciekłym elektrolitem.
Ogniwa Li-ion z ciekłym i stałym elektrolitem
Spis treści
Współczesne ogniwa litowo-jonowe wykorzystują ciekłe elektrolity. Pozwalają one na swobodną wędrówkę jonów litu między elektrodami, ale nie hamują rozwoju litowych dendrytów mogących prowadzić do zwarć i zapłonów we wnętrzu ogniw. Rozwiązaniem problemu są elektrolity stałe (ang. solid-state electrolyte, SSE), których litowe dendryty nie są w stanie przebić. Sęk w tym, że znajdują się one obecnie w fazie „obiecujących” badań.
Jednym z głównych problemów stałych elektrolitów jest brak uporządkowania w strukturze, który hamuje przepływ jonów między elektrodami. A bez przepływu jonów nie ma wydajnego ogniwa. Stąd rozmaite sztuczki z podgrzewaniem czy częściowym upłynnianiem (!) stałych elektrolitów, by rozluźnić ich strukturę atomową.
Naukowcy z University of Maryland znaleźli inny sposób na ułatwienie jonom litu wędrówki między elektrodami.
Elektrolitowy spiek przepuszcza jony, ale blokuje dendryty
Otóż wytwarzają oni warstwę bazową, na którą nakładana jest warstwa elektrolitu w postaci prekursora, elektrolitu w rozpuszczalniku. Prekursor jest następnie podgrzewany do 1 500 stopni Celsjusza przez 3 sekundy, dzięki czemu powstaje spiek. Powstała w ten sposób struktura krystaliczna o wysokim stopniu uporządkowania gwarantuje, jak obiecują naukowcy, wysoką przepuszczalność jonów.
Cała operacja ma zajmować około 5 minut, czyli być 100 razy szybsza niż nakładanie stałego elektrolitu klasycznymi metodami (źródło). Przepuszczalność jonów wynosi do 1 mS/cm (milisiemensy na centymetr). Dla porównania: przepuszczalność typowej wody z kranu to 0,2-0,8 mS/cm, a przepuszczalność innych stałych elektrolitów w najlepszym razie jest o 1 do 3 rzędów wielkości niższa (źródło). Z kolei przepuszczalność elektrolitów ciekłych lokuje się właśnie w przedziale od ułamków do kilku milisiemensów (źródło, tabela w treści).
Gdyby okazało się, że metoda amerykańskich badaczy jest rzeczywiście skuteczna, a stworzony w ten sposób elektrolit nie ulega szybkiej degradacji, jako ludzkość moglibyśmy zacząć produkować ogniwa litowo-metalowe. Zastąpienie anody węglowej lub krzemowej litową mogłoby natychmiast podnieść pojemność baterii Li-ion o 150-300 procent. Wystarczy, że elektrolit będzie blokował wzrost litowych dendrytów – i gotowe.
Zdjęcie otwierające: A) proces spiekania elektrolitu z bazą, B) płytka stałego elektrolitu, C) wahania grubości warstwy elektrolitu w mikrometrach (c) Universiuty of Maryland, Science Advances (2020)
