Naučnici obećavaju bolje dane za litijumske baterije

Litijum-jonske baterije su revolucionisale modernu tehnologiju, pokrećući sve, od pametnih telefona do električnih vozila. Međutim, kako potražnja za skladištenjem energije nastavlja da raste, tako raste i potreba za sigurnijim, moćnijim i trajnijim baterijama. Nedavni napreci u tehnikama raspršivanja neutrona i uvođenje novih elemenata pojavili su se kao ključni igrači u poboljšanju performansi i ciklabilnosti litijumskih baterija.

Raspršivanje neutrona, moćno sredstvo u naučnoj obradi materijala, omogućilo je istraživačima jedinstvene uvide u unutrašnje mehanizme litijumskih baterija. Koristeći neutronske zrake za istraživanje atomske strukture i dinamike materijala baterije, naučnici mogu otkriti kritične informacije o njihovom ponašanju tokom ciklusa punjenja i pražnjenja.

Jedan značajan napredak u istraživanju raspršivanja neutrona je otkriće kako se litijum-joni kreću unutar elektroda baterije. U novoj studiji, istraživači su koristili raspršivanje neutrona da prate difuziju litijum-jona u materijalima baterije sa neviđenim detaljima. Razumevanjem mehanizama koji upravljaju transportom jona, naučnici mogu dizajnirati materijale elektroda koji omogućavaju brže stope punjenja i pražnjenja, dok održavaju stabilnost.

Osim toga, raspršivanje neutrona bacilo je novo svetlo na složenu interakciju između različitih komponenti unutar litijumskih baterija. Na primer, istraživači su istraživali ulogu elektrolita u olakšavanju transporta jona i sprečavanju neželjenih reakcija na interfejsu između elektroda i elektrolita. Optimizacijom sastava i strukture elektrolita, naučnici teže da unaprede ukupne performanse i sigurnost litijumskih baterija.

Parilov / Shutterstock.com

Paralelno sa napretkom u raspršivanju neutrona, istraživači su obratili pažnju na razvoj novih materijala za baterije koji uključuju nove elemente. Ovi napori vođeni su potrebom da se prevaziđu postojeća ograničenja poput gubitka kapaciteta i degradacije elektroda, posebno u aplikacijama visoke gustine energije.

I Silicijum stiže u litijumske baterije

Jedan obećavajući pristup uključuje uvođenje silicijuma u anodu baterije. Silicijum nudi mnogo veći teorijski kapacitet u poređenju sa tradicionalnim grafitnim anodama, ali je njegova praktična primena ometana lošom ciklabilnošću zbog povećanja zapremine tokom litijacije. Međutim, nedavne studije su pokazale da inženjeringom nanostrukturnih materijala od silicijuma i njihovim kombinovanjem sa drugim elementima poput germanijuma ili ugljenika, istraživači mogu dobiti na povećanju zapremine i poboljšati stabilnost cikliranja.

Osim toga, upotreba oksida prelaznih metala kao materijala katoda privukla je značajnu pažnju zbog potencijala da unapredi gustinu energije i ciklabilnost litijumskih baterija. Dopingovanjem ovih oksida elementima poput nikla, kobalta i mangana, istraživači mogu prilagoditi njihova elektrohemijska svojstva kako bi postigli veće kapacitete i duži vek trajanja ciklusa. Tehnike raspršivanja neutrona su bile od ključnog značaja u objašnjavanju strukturnih promena koje se događaju u ovim materijalima tokom elektrohemijskog cikliranja, pružajući ključne uvide za njihovu optimizaciju.

Pored optimizacije pojedinačnih komponenti, istraživači istražuju inovativne arhitekture baterija kako bi dodatno poboljšali performanse i dugovečnost. Jedan takav pristup je razvoj litijumskih baterija sa čvrstim elektrolitom, koje zamjenjuju tečni elektrolit čvrstim elektrolitom. Ovo ne samo da eliminiše rizik od curenja i rasipanja toplote, već omogućava i upotrebu litijumskog metala kao anode, nudeći veću gustinu energije u poređenju sa grafitom.

Studije raspršivanja neutrona odigrale su ključnu ulogu u karakterizaciji interfejsa unutar litijumskih baterija sa čvrstim elektrolitom i objašnjavanju mehanizama koji upravljaju transportom jona preko njih. Razumevajući faktore koji utiču na stabilnost interfejsa i provodljivost, naučnici mogu dizajnirati čvrste elektrolite sa poboljšanim performansama i pouzdanošću.

Kombinacija tehnika raspršivanja neutrona i integracija novih elemenata u dizajn litijumskih baterija predstavlja značajne korake ka ostvarivanju sigurnijih, moćnijih i dugotrajnijih rešenja za skladištenje energije. Dok istraživači nastavljaju da pomeraju granice nauke o materijalima i inženjeringa, budućnost obećava široku primenu naprednih litijumskih baterija u različitim aplikacijama, od prenosnih elektronskih uređaja do skladištenja energije.