Pronašli smo način za povećanje kapaciteta litij-ionskih baterija za 10 puta

Diljem svijeta deseci znanstvenih skupina traže mogućnosti za značajno povećanje kapaciteta litij-ionskih baterija. Uvođenje silicija u strukturu smatra se obećavajućim smjerom, ali njegova krhkost, krhkost spojeva na njemu i drugi problemi to dugo nisu dopuštali.

No, čini se kako su znanstvenici u Japanu uspjeli pronaći rješenje za problem silicija. Osmislili su novi dizajn anode izrađen od silicijskih lukova nano veličine, koji daju potrebnu čvrstoću i trajnost.

Suvremene litij-ionske baterije i njihovi nedostaci

Za početak, samo nekoliko riječi o tome kako rade litij-ionske baterije. Dakle, kao što znate, baterija se sastoji od para elektroda (katoda i anoda) i elektrolitske otopine. Dakle, glavni zadatak elektrolita je prijenos litijevih iona između katode i anode koja je upravo izrađena od grafita.

Dakle, tijekom punjenja baterije, litij-ioni se kreću duž putanje katoda-otopina-anoda. U procesu pražnjenja kretanje iona događa se u suprotnom smjeru.

Ovaj se dizajn dobro dokazao i radio je više od desetak godina. Ali glavni nedostatak cijelog ovog otklonjenog dizajna je taj što se u grafitnoj anodi mora odjednom koristiti šest atoma ugljika za pohranu jednog litij-iona. Iz tog razloga ove baterije imaju malu gustoću energije.

Silicij i njegove primjene

Unatoč tome, ako pogledamo takav materijal kao silicij, tada se jedan od njegovih atoma može vezati s četiri litijeva iona odjednom, što daje gotovo 10 puta veći porast gustoće energije. Čini se da je sve u redu, ali znanstvenici još uvijek nisu uspjeli stabilizirati silicij.

Budući da je sklona značajnom širenju (do 400% izvornog volumena), kontrakcije i puknuvši tijekom rada baterije, tada su svi ti efekti deformacije uništili silicijeve anode dovoljno brzo.

Istraživački tim s Instituta za poslijediplomsku tehnologiju i tehnologiju Okitawa (OSIT) predložio je rješenje problema stabilizacije silicijske anode. Inženjeri su proveli čitav niz eksperimenata sa slojevima silicija različitih debljina u potrazi za zlatnom sredinom, u kojoj će biti zadovoljeni uvjeti velike gustoće energije i stabilnosti baterije.

Znanstvenici su otkrili da se povećanjem sloja silicija najprije povećava krutost, a nakon određene točke dolazi do naglog smanjenja. Odlučeno je detaljnije proučiti razlog takvog prijelaza, a to su znanstvenici uspjeli utvrditi.

Pokazalo se da kad se silicij taloži na metalnim nanočesticama, počinju se stvarati sitni stupovi u obliku obrnutih čunjeva koji se prema vrhu zgušnjavaju.

Ispada da taloženjem sve većeg broja atoma silicija i, shodno tome, rastom stupova, oni postaju toliko široki da se međusobno dodiruju i tako tvore lučnu strukturu nanometra ljestvica.

Takva je struktura prilično jaka i čak je ljudi koriste u gradnji. I ispada da je prije nego što su ti nano lukovi nastali, struktura prilično slaba, a njihov još veći rast stvara spužvastu strukturu s rupama, što i nije toliko učinkovito.

I samo u trenutku nastanka takvih lukova stvara se ravnoteža koja omogućava povećani kapacitet punjenja i sposobna je izdržati velik broj ciklusa punjenja / pražnjenja.

Još nije poznato kada će se nove litij-ionske baterije sa silicijskom anodom naći u prodaji, ali činjenica da je ovaj smjer obećavajući može se prepoznati već u ovoj fazi.

Je li vam se svidio materijal? Zatim podignite prst i pretplatite se na kanal. Hvala na pažnji!