reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Pixabay Nauka | 12 wrze艣nia 2017

Coraz bli偶ej sta艂ych elektrolitów w bateriach litowo-jonowych?

Baterie litowo-jonowe, zasilaj膮ce wi臋kszo艣膰 przeno艣nych urz膮dze艅 elektronicznych, mog艂yby by膰 l偶ejsze, bezpieczniejsze i wydajniejsze, gdyby p艂ynny elektrolit zast膮pi膰 w nich substancj膮 w formie sta艂ej. Obiecuj膮cym kandydatem wydaje si臋 nowa klasa materia艂贸w, zaprezentowana przez fizyk贸w z Polski i Szwajcarii.
Komercyjnie dost臋pne baterie litowo-jonowe sk艂adaj膮 si臋 z dw贸ch elektrod po艂膮czonych ciek艂ym elektrolitem. Elektrolit ten utrudnia in偶ynierom redukowanie rozmiar贸w i masy baterii, a na dodatek mo偶e wyciec; znajduj膮cy si臋 w ods艂oni臋tych elektrodach lit wchodzi w贸wczas w kontakt z tlenem w powietrzu i ulega samozap艂onowi. K艂opoty firmy Boeing, kt贸ra na wiele miesi臋cy musia艂a wstrzyma膰 loty samolot贸w Dreamliner, s膮 przyk艂adem problem贸w, jakie przysparza eksploatacja wsp贸艂czesnych baterii litowo-jonowych.

W informacji prasowej Instytutu Fizyki J膮drowej Polskiej Akademii Nauk przypomniano, 偶e w laboratoriach od lat trwaj膮 poszukiwania materia艂贸w sta艂ych, kt贸re mog膮 zast膮pi膰 ciek艂e elektrolity. Do najpopularniejszych kandydat贸w nale偶膮 zwi膮zki, w kt贸rych jony litu znajduj膮 si臋 w otoczeniu jon贸w siarki lub tlenu.

Szwajcarsko-polski zesp贸艂 naukowc贸w zaprezentowa艂 jednak now膮 klas臋 zwi膮zk贸w jonowych, gdzie no艣nikami 艂adunku s膮 jony litu poruszaj膮ce si臋 w 艣rodowisku cz膮steczek aminowych (NH2) i borowodorkowych (BH4). O opracowanych materia艂ach naukowcy informuj膮 w artykule opublikowanym w czasopi艣mie "Advanced Energy Materials".

Cz臋艣膰 eksperymentaln膮 projektu badawczego zrealizowano w szwajcarskim federalnym o艣rodku bada艅 materia艂owych Empa w Dubendorfie oraz na Uniwersytecie Genewskim (UG). Za opis teoretyczny mechanizm贸w prowadz膮cych do wyj膮tkowo du偶ej przewodno艣ci jonowej nowego materia艂u odpowiada艂 prof. Zbigniew 艁odziana z Instytutu Fizyki J膮drowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.

- Zajmowali艣my si臋 amido-borowodorkiem litu, substancj膮 wcze艣niej znan膮 jako niezbyt dobry przewodnik jonowy - opowiada prof. 艁odziana. 鈥 Zwi膮zek ten wytwarza si臋 miel膮c ze sob膮 dwa sk艂adniki w proporcji 1 do 3. Nikt dotychczas nie sprawdza艂, co si臋 dzieje z przewodno艣ci膮 jonow膮, gdy proporcje mi臋dzy tymi sk艂adnikami zostan膮 zmienione. Zrobili艣my to dopiero my i raptem si臋 okaza艂o, 偶e zmniejszaj膮c liczb臋 grup NH2 do pewnej warto艣ci granicznej mo偶na znacznie poprawi膰 przewodno艣膰. Wzrost przewodno艣ci jest tak du偶y, 偶e staje si臋 ona por贸wnywalna z przewodno艣ci膮 ciek艂ych elektrolit贸w.

Kilkudziesi臋ciokrotny wzrost przewodno艣ci jonowej nowego materia艂u jest efektem zmiany proporcji tworz膮cych go sk艂adnik贸w. Otwiera on nowy, dotychczas nieeksploatowany kierunek poszukiwa艅 kandydat贸w na sta艂y elektrolit. Wcze艣niej koncentrowano si臋 niemal wy艂膮cznie na zmianach kompozycji chemicznej substancji. Tymczasem okazuje si臋, 偶e na etapie produkcji zwi膮zk贸w kluczow膮 rol臋 mog膮 odgrywa膰 same proporcje mi臋dzy sk艂adnikami u偶ywanymi do ich wytworzenia.

- Nasz amido-borowodorek litu to przedstawiciel nowej, obiecuj膮cej klasy materia艂贸w-kandydat贸w na sta艂y elektrolit. Jednak zanim baterie zbudowane na takich zwi膮zkach trafi膮 do u偶ytku, musi jeszcze up艂yn膮膰 troch臋 czasu - zaznacza prof. 艁odziana. 鈥 Na przyk艂ad mi臋dzy elektrolitem a elektrodami nie powinny zachodzi膰 偶adne reakcje chemiczne prowadz膮ce do ich degradacji. Ten problem wci膮偶 czeka na optymalne rozwi膮zanie.

Tymczasem jednak perspektywy bada艅 s膮 obiecuj膮ce. Naukowcy z Empa, UG i IFJ PAN nie ograniczyli si臋 bowiem do samego scharakteryzowania w艂a艣ciwo艣ci fizyko-chemicznych nowego materia艂u. Zwi膮zek zosta艂 u偶yty jako elektrolit w typowym p贸艂ogniwie Li4Ti5O12. P贸艂ogniwo mia艂o dobr膮 wydajno艣膰, kt贸ra w testach polegaj膮cych na 400-krotnym 艂adowaniu i roz艂adowaniu okaza艂a si臋 stabilna.

Poczyniono te偶 obiecuj膮ce kroki ku rozwi膮zaniu innego wa偶nego problemu. Opisany w publikacji amido-borowodorek litu wykazywa艂 bowiem 艣wietn膮 przewodno艣膰 jonow膮 dopiero od temperatury ok. 40 stopni Celsjusza. W najnowszych do艣wiadczeniach uda艂o si臋 j膮 ju偶 obni偶y膰 poni偶ej temperatury pokojowej.

Pod wzgl臋dem teoretycznym nowy materia艂 pozostaje jednak wyzwaniem. Dotychczasowe modele konstruowano dla substancji, w kt贸rych jony litu porusza艂y si臋 w 艣rodowisku atom贸w. W nowym materiale jony przemieszczaj膮 si臋 w艣r贸d lekkich cz膮steczek, kt贸re zmieniaj膮c swoj膮 przestrzenn膮 orientacj臋 u艂atwiaj膮 im ruch.

- W zaproponowanym modelu znakomita przewodno艣膰 jonowa to konsekwencja specyficznej budowy sieci krystalicznej badanego materia艂u - wyja艣nia prof. 艁odziana. 鈥 Sie膰 ta sk艂ada si臋 w rzeczywisto艣ci z dw贸ch podsieci. Okazuje si臋, 偶e jony litu przebywaj膮 tu w kom贸rkach elementarnych tylko jednej podsieci. Jednak bariera dyfuzji mi臋dzy podsieciami jest niska. W odpowiednich warunkach jony przenosz膮 si臋 wi臋c do drugiej, pustej podsieci, w kt贸rej mog膮 si臋 do艣膰 swobodnie przemieszcza膰.

Przedstawiony opis teoretyczny t艂umaczy tylko cz臋艣膰 obserwowanych cech nowego materia艂u. Mechanizmy odpowiedzialne za jego du偶膮 przewodno艣膰 z pewno艣ci膮 s膮 bardziej z艂o偶one. Ich lepsze zrozumienie powinno znacz膮co przyspieszy膰 poszukiwania optymalnych zwi膮zk贸w na sta艂y elektrolit i w konsekwencji skr贸ci膰 proces komercjalizacji nowych 藕r贸de艂 pr膮du, kt贸re mog膮 zrewolucjonizowa膰 przeno艣n膮 elektronik臋.

殴r贸dlo: PAP - Nauka w Polsce
reklama
reklama
reklama
reklama
Za艂aduj wi臋cej news贸w
December 05 2018 15:01 V11.10.4-1