Za pojemność ogniwa Li-ion odpowiada liczba wolnych jonów litu, które mogą przemieszczać się między elektrodami. Gdy jest ich mniej, pojemność spada. Naukowcy ze Stanford University oraz SLAC National Accelerator Laboratory znaleźli sposób, by przywrócić do pracy co najmniej część „zmarnowanego” litu.
Aktywacja litowych wysp przez ładowanie i szybkie rozładowanie
Nasi Czytelnicy już pewnie pamiętają, że część jonów litu zostaje „zmarnowana” w procesie pasywacji, gdy na elektrodach (zwykle: anodzie) tworzy się warstwa będąca wynikiem reakcji pierwiastka z elektrolitem. Warstwa pasywna (SEI) istotnie ogranicza dalsze reakcje powodujące starzenie się elektrolitu, ale ma tę wadę, że bezpowrotnie związuje kilka procent litu.
To nie koniec: niektóre jony pierwiastka utykają też w elektrolicie, gdzie tworzą litowe wyspy. Teoretycznie powinien rozpuszczać je elektrolit, w praktyce nie zawsze się to udaje. Dotychczas uważano, że wyspy te są nieruchome, tj. gdy raz powstaną, nie ma szans na ich przemieszczenie. Jednak badacze z Centrum Liniowego Akceleratora Stanforda oraz samego Uniwersytetu Stanforda zdołali sprawdzić eksperymentalnie, że w rzeczywistości litowe wyspy mają zdolność do przemieszczania się.
Kiedy ładowali stworzone przez siebie ogniwo z katodą [lit]-nikiel-mangan-kobalt (NMC) i litową anodą, jony pierwiastka z wyspy powoli przesuwały się w kierunku katody. Gdy je rozładowywali, wędrowały w przeciwnym kierunku. Postanowili znaleźć sposób na doprowadzenie struktury do jednej z elektrod, oczywiście bez niszczenia układu. Udało im się, kiedy naładowali a następnie bardzo szybko rozładowali ogniwo: litowa wyspa dotarła do anody, gdzie jony litu rozlokowały się w niej w oczekiwany sposób.
Schemat budowy ogniwa Li-ion z widoczną warstwą miedzi transportującą elektrony (po lewej), anodą, separatorem zanurzonym w elektrolicie, katodą oraz folią aluminiową również odpowiedzialną za transport ładunków (c) The Limiting Factor / YouTube
Efektem było wydłużenie czasu życia ogniw o niemal 30 procent, co przy współczesnych ogniwach oznaczałoby przejście od 800 (=liczba cykli pracy uważana za standard) do 1 040 cykli bez żadnych dodatkowych nakładów sił i środków (źródło).
Oczywiście mówimy o wyniku pewnych prac badawczych. Choć naukowcy wspominają o innych testowych bateriach, warto zwrócić uwagę, że zastosowali oni litową (a nie grafitową czy krzemową) anodę. Nie jest więc jasne, czy podobna metoda byłaby skuteczna w przypadku produkowanych obecnie ogniw Li-ion oraz, co ważniejsze, jak dokładnie wygląda ten „ekstremalnie szybki proces rozładowania” baterii.
Nota od redakcji www.elektrowoz.pl: oto film tłumaczący w przystępny sposób, jak działa ogniwo Li-ion. To z niego pochodzi otwierająca tekst ilustracja. Co prawda nie mówi się w nim o litowych wyspach w elektrolicie, wspomina się też, że warstwa SEI powstaje tylko w fabryce (co nie jest prawdą), ale warto go obejrzeć ze względu na dużą liczbę szczegółów.
