Od prenosnih računalnikov do pametnih telefonov do napredne industrije električnih avtomobilov se naš svet vse bolj zanaša na baterije za ponovno polnjenje. A kot ve vsak, ki ima prenosnik več kot nekaj let, baterije sčasoma izgubijo sposobnost polne napolnjenosti.
Znanstveniki nikoli niso zares razumeli, zakaj se to zgodi, zaradi česar je bilo težko odpraviti težavo. Toda po parih nedavnih raziskav raziskovalcev ameriškega ministrstva za energijo, objavljenih v reviji Nature Communications, smo morda bolj kot kdajkoli prej blizu akumulatorja.
Znanstveniki, ki delujejo posebej z litij-ionskimi baterijami, ki se zaradi lahke teže in velike zmogljivosti običajno uporabljajo v potrošniških napravah, so preslikali postopek polnjenja in praznjenja na milijarde metrov, da bi bolje razumeli, kako degradacija deluje. Odkrili so dva krivca za propadanje baterije. Prvo: mikroskopske ranljivosti v strukturi materiala akumulatorja litijeve ione naključno usmerjajo skozi celico in tako na videz naključno razkrojijo baterijo, podobno kot se rje širi po nepopolnostih v jeklu. V drugi študiji, osredotočeni na iskanje najboljšega ravnovesja med napetostjo, skladiščno zmogljivostjo in maksimalnim ciklom napolnjenosti, raziskovalci niso odkrili le podobnih vprašanj s pretokom ionov, temveč tudi drobne akumulacije kristalov nano-obsega, ki jih puščajo kemične reakcije, ki povzročajo pretok ionov postane po vsakem polnjenju še bolj nepravilen. Akumulatorji delujejo pri višjih napetostih privedlo tudi do več nepravilnosti na ionski poti in s tem do hitrejše obrabe baterije.
Sorodne vsebine
- Električni avtomobili lahko mesta postanejo hladnejši
Morda se zdi, da bi znanstveniki morali popolnoma razumeti baterijo - tehnologijo, ki je bila učinkovita že od leta 1800 - pred desetletji. Toda Huolin Xin, znanstvenik za materiale v Brookhaven Lab in soavtor obeh študij, pravi, da je zmagovalna kombinacija novih tehnologij postala na voljo šele pred kratkim.
"Številna najsodobnejša orodja za karakterizacijo, na primer elektronski mikroskopi, ki se korigirajo z aberacijo, in nove sinhrotronske rentgenske tehnike, niso bila na voljo pred 10 leti, " pravi Xin. Toda zdaj, pravi, jih je mogoče uporabiti za preučevanje litij-ionskih baterij.
Novi podatki raziskovalcem ponujajo jasnejšo predstavo o delovanju teh baterij, kar bi lahko v ne preveč oddaljeni prihodnosti privedlo do dolgotrajnih baterij v potrošniški elektroniki. Vendar pa predstavlja tudi nove težave. Xin pravi, da je povečanje površine pomembno za delovanje akumulatorja, vendar večja površina tudi olajša degradacijo.
"Da preprečimo [degradacijo površine], lahko katodo prevlečemo z zaščitno plastjo, " pravi Xin, "ali pa skrijemo te površine tako, da ustvarimo meje znotraj prahu velikosti mikronov [znotraj celice]."
Iskanje najučinkovitejših, stroškovno najučinkovitejših načinov za to bo del prihodnje faze raziskave.
Toda Daniel Abraham, znanstvenik, osredotočen na raziskave litij-ionskih baterij v Nacionalnem laboratoriju Argonne izven Chicaga, je skeptičen, da nove študije predstavljajo pravi preboj. Pravi, da je delo s kartiranjem podobnih materialov opravljalo že v preteklosti, med drugim tudi njegova ekipa pred približno 12 leti. Prav tako verjame, da je pri degradaciji akumulatorjev morda več kot v novih raziskavah.
"Poskušajo vzpostaviti povezavo med poslabšanjem uspešnosti in slikami, ki jih vidijo, kar morda ni pravilno, " pravi Abraham. "Deloma je zgodba, toda mislim, da ni celotna zgodba."
Xin je bolj optimističen, da bo delo privedlo do izboljšav akumulatorja, ne samo za prihodnja električna vozila, temveč tudi za prenosno elektroniko.
"Katoda litij-niklja-mangana-kobalt-oksida je bila pred kratkim opredeljena kot edini komercialno dober material za litij-ionske baterije nove generacije, " pravi Xin. "Z reševanjem težave z razgradnjo lahko zmanjšamo baterije nove generacije in jih napolnimo ter izpraznimo bolj zanesljivo."
Strokovnjaki za baterije se sicer strinjajo, da je za številne pomembne prihodnje aplikacije iskanje načina, kako se baterije tako hitro ne iztrošiti, prav tako pomembno kot ustvarjanje baterij z večjo kapaciteto.
Xin poudarja, da kupci električnih avtomobilov upravičeno skrbijo odpoved akumulatorja po poteku garancije. Abraham ugotavlja, da za električna vozila verjetno potrebujete le nekajletno zmogljivost svojega pametnega telefona ali tabličnega računalnika, večina lastnikov išče baterijo, ki traja od 10 do 15 let. In za uporabo v električnem omrežju (za shranjevanje odvečne energije, proizvedene ob neurnih urah), naj bi baterije trajale 30 let ali več.
Zaradi tega je gradnja boljše baterije za prenosni računalnik veliko lažja kot reševanje težav z dolgo življenjsko dobo na drugih področjih.
"Dobro je imeti večjo gostoto energije, vendar če dobite visoko gostoto energije, vendar ne dolgo življenjsko dobo, potem pride do dvoma komercialna sposobnost teh tehnologij, " pravi Abraham. "Ker lahko pokažete, da imate novo tehnologijo in lahko traja od dve do 30 let, to postane takoj komercialno izvedljivo."
Čeprav lahko delo Xina in njegovih sodelavcev pomaga raziskovalcem pri ustvarjanju baterij, ki se ne razgradijo tako hitro, je jasno, da bodo potrebni nadaljnji preboji, preden bomo videli polnilne baterije, ki trajajo desetletje ali več brez resne obrabe.
