Výskumný tím spolupracujúci pod vedením profesora Chena Wanghua z Fakulty fyzikálnych vied a technológií Univerzity v Ningbo, spolu s výskumníkmi z Technickej univerzity v Ningbo a Technologického inštitútu v Ningbo, oznámili prielom v oblasti anódových materiálov pre lítiové batérie s elektrolytom v pevnom skupenstve.

Podľa čínskych médií Global Times tím úspešne vyvinul novú anódu z kremíkových nanodrôtov s trojrozmernou „priedušnou“ štruktúrou, inšpirovanou prirodzenými dýchacími mechanizmami, ktorá ponúka sľubnú novú cestu pre vývoj vysokovýkonných lítiových batérií s elektrolytom v pevnom skupenstve s kremíkovou anódou. Zistenia boli nedávno publikované v medzinárodnom časopise o energetických materiáloch Energy Storage Materials .

Vedci a priemysel všeobecne považujú lítiové batérie s elektrolytom v pevnom skupenstve za „konečný cieľ“ technológie batérií novej generácie vďaka ich zvýšenej bezpečnosti, vyššej hustote energie a vynikajúcemu cyklickému výkonu. Medzi potenciálnymi anódovými materiálmi pre tieto pokročilé batérie vyniká kremík svojou mimoriadne vysokou teoretickou kapacitou – desaťnásobne vyššou ako tradičné komerčné grafitové anódy – a vynikajúcou chemickou kompatibilitou. Praktické využitie kremíka je však výrazne obmedzené jeho dramatickým zväčšením objemu, ktoré počas cyklov nabíjania a vybíjania trojnásobne mení jeho pôvodnú veľkosť. Toto zväčšovanie vedie k silnému mechanickému namáhaniu, oddeleniu rozhrania a rýchlej degradácii elektrochemického výkonu.

„Ak prirovnáme lítiovú batériu k úložisku energie, kremík je uznávaným „super nosičom“ s obrovským skladovacím potenciálom,“ vysvetlil profesor Chen Wanghua. „Tento „gigant“ má však extrémne nestálu povahu: pri absorbovaní lítiových iónov počas nabíjania sa objem kremíka prudko zväčší viac ako trojnásobne. Pri opakovaných cykloch nabíjania a vybíjania sa kremík správa ako balón, ktorý sa neustále nafukuje a vyfukuje, až nakoniec v dôsledku vyčerpania „skolabuje“, čo vedie k náhlemu skončeniu životnosti batérie.“

Aby sa výskumný tím vysporiadal s touto kritickou výzvou, navrhol inovatívne riešenie, ktoré umožňuje kremíku „voľne dýchať“ v pevnom prostredí. Využitím technológie plazmou vylepšenej chemickej depozície z pár (PECVD) navrhli a vyrobili novú trojrozmernú stĺpcovú kremíkovú architektúru, ktorá sa priamo integruje s prúdovým kolektorom. Táto konštrukcia sa môže pochváliť „dvojfázovou“ štruktúrou jadro-plášť, pripravenou dvojkrokovým procesom PECVD.

„Odklonili sme sa od tradičného „kremíkového prášku“ a namiesto toho sme vytvorili kremík, ktorý „stál“ ako stromy v lese, prepletené a vytvárajúce trojrozmernú sieť na zberači prúdu,“ vysvetlil profesor Chen. „Tieto nanodrôty majú medzi sebou množstvo dutín, podobne ako keby sme vo vnútri batérie inštalovali nespočetné množstvo „dýchacích ventilov“. Keď sa lítiové ióny dostanú do batérie, kremíkové nanodrôty sa môžu rozšíriť do týchto rezervovaných priestorov bez toho, aby rozdrvili okolitý elektrolyt.“

Experimentálne výsledky ukazujú, že táto stĺpcová kremíková anóda vykazuje výnimočný elektrochemický výkon a praktickosť. Vyvinutá batéria sa ukázala byť schopná nepretržite dodávať energiu aj pri ohnutí alebo rezaní nožnicami, čo preukazuje pozoruhodnú mechanickú robustnosť a bezpečnosť.

Tento výskum zavádza novú paradigmu pre zjednotenie kinetiky transportu iónov s mechanickou integritou prostredníctvom architektonického návrhu. Poskytuje uskutočniteľnú a praktickú technickú cestu pre vývoj vysokoenergetických, dlhodobo fungujúcich, plne tuhých kremíkových lítiových batérií, čím približuje ďalšiu generáciu batériovej technológie realite.

Zdroj: carnewschina