Od laptopów, smartfonów po rozwijający się przemysł samochodów elektrycznych, nasz świat jest coraz bardziej zależny od akumulatorów. Ale jak wie każdy, kto jest właścicielem laptopa od kilku lat, baterie w końcu tracą zdolność do pełnego naładowania.
Naukowcy nigdy tak naprawdę nie rozumieli, dlaczego tak się dzieje, co utrudniło naprawę. Ale według ostatnich badań przeprowadzonych przez naukowców z amerykańskiego Departamentu Energii, opublikowanych w czasopiśmie Nature Communications, możemy być bliżej niż kiedykolwiek baterii, która nie ulega degradacji.
Pracując w szczególności z akumulatorami litowo-jonowymi, powszechnie stosowanymi w urządzeniach konsumenckich ze względu na ich niewielką wagę i wysoką pojemność, naukowcy zmapowali proces ładowania i rozładowania do miliardowych części metra, aby lepiej zrozumieć, jak działa degradacja. Odkryli dwóch sprawców degradacji baterii. Po pierwsze: mikroskopijne podatności w strukturze materiału baterii kierują jony litu przypadkowo przez ogniwo, erozując baterię w pozornie przypadkowy sposób, podobnie jak rdza rozprzestrzenia się na niedoskonałości stali. W drugim badaniu, koncentrującym się na znalezieniu najlepszej równowagi między napięciem, pojemnością i maksymalnymi cyklami ładowania, badacze odkryli nie tylko podobne problemy z przepływem jonów, ale także niewielkie nagromadzenie kryształów w nanoskali pozostawione przez reakcje chemiczne, które powodują przepływ jonów staje się jeszcze bardziej nieregularny po każdym ładowaniu. Działające akumulatory przy wyższych napięciach doprowadziło również do większej liczby nieregularności ścieżki jonowej, a tym samym do szybszego niszczenia baterii.
powiązana zawartość
- Samochody elektryczne mogą sprawić, że miasta będą chłodniejsze
Może się wydawać, że naukowcy powinni w pełni zrozumieć baterię - technologię, która faktycznie istnieje od 1800 roku - dekady temu. Jednak Huolin Xin, naukowiec z Brookhaven Lab i współautor obu badań, mówi, że zwycięska kombinacja nowych technologii stała się dostępna dopiero niedawno.
„Wiele najnowocześniejszych narzędzi do charakteryzacji, takich jak mikroskopy elektronowe z korekcją aberracji i nowe techniki rentgenowskie synchrotronu, nie były dostępne 10 lat temu”, mówi Xin. Ale teraz, jak mówi, można je zastosować w badaniach akumulatorów litowo-jonowych.
Nowe dane dają naukowcom wyraźniejszy obraz działania tych akumulatorów, co może doprowadzić do powstania trwałszych akumulatorów w elektronice użytkowej w niezbyt odległej przyszłości. Ale przedstawia także nowe problemy. Xin twierdzi, że maksymalizacja pola powierzchni jest ważna dla wydajności baterii, ale większy obszar powierzchni prawdopodobnie również ułatwia degradację.
„Aby zapobiec [degradacji powierzchni], możemy albo pokryć katodę warstwą ochronną”, mówi Xin, „lub ukryć te powierzchnie, tworząc granice w obrębie proszków wielkości mikrona [wewnątrz komórki]”.
Znalezienie najbardziej wydajnych i opłacalnych sposobów na zrobienie tego będzie częścią przyszłej fazy badań.
Ale Daniel Abraham, naukowiec skupiony na badaniach akumulatorów litowo-jonowych w Argonne National Laboratory pod Chicago, jest sceptyczny, że nowe badania stanowią prawdziwy przełom. Mówi, że prace mapowe z podobnymi materiałami były wykonywane w przeszłości, w tym przez jego zespół około 12 lat temu. Uważa również, że degradacja baterii może być znacznie większa niż w nowych badaniach.
„Próbują ustalić korelację między pogorszeniem wydajności a obrazami, które widzą, co może być niepoprawne”, mówi Abraham. „To częściowo historia, ale nie sądzę, że to cała historia”.
Xin jest bardziej optymistyczny, że prace doprowadzą do ulepszenia akumulatorów, nie tylko w przyszłych pojazdach elektrycznych, ale także w przenośnych urządzeniach elektronicznych.
„Katoda litowo-niklowo-manganowo-tlenek kobaltu została niedawno uznana za jedyny komercyjnie opłacalny materiał do akumulatorów litowo-jonowych nowej generacji”, mówi Xin. „Rozwiązując problem degradacji, możemy zmniejszyć akumulatory nowej generacji i sprawić, że ładują się i rozładowują bardziej niezawodnie”.
Dwóch ekspertów ds. Akumulatorów zgadza się jednak, że w wielu ważnych przyszłych zastosowaniach znalezienie sposobu, aby akumulatory, które nie zużywają się tak szybko, jest równie ważne, jak tworzenie akumulatorów o większej pojemności.
Xin podkreśla, że kupujący samochody elektryczne słusznie martwią się awarią akumulatora po wygaśnięciu gwarancji. Abraham zauważa, że chociaż prawdopodobnie potrzebujesz tylko kilku lat działania ze smartfona lub tabletu, w przypadku pojazdów elektrycznych większość właścicieli szuka akumulatora, który wystarczy na 10 do 15 lat. A do stosowania w sieci elektrycznej (w celu magazynowania nadwyżki energii wyprodukowanej poza godzinami szczytu) baterie powinny trwać 30 lat lub dłużej.
To sprawia, że budowanie lepszej baterii do laptopa jest o wiele łatwiejsze niż rozwiązywanie problemów związanych z długowiecznością w innych obszarach.
„Dobrze jest mieć wyższą gęstość energii, ale jeśli uzyskasz wysoką gęstość energii, ale nie długie życie, wtedy komercyjna żywotność tych technologii jest wątpliwa”, mówi Abraham. „Natomiast jeśli możesz wykazać, że masz nową technologię, która może trwać od dwóch do 30 lat, staje się to natychmiast opłacalne z handlowego punktu widzenia”.
Chociaż praca Xina i jego współpracowników może pomóc naukowcom w tworzeniu akumulatorów, które nie ulegają tak szybkiemu rozkładowi, jasne jest, że konieczne będą dalsze przełomy, zanim zobaczymy akumulatory, które przetrwają dekadę lub dłużej bez poważnego zużycia.
