Batérie v smartfónoch môžu už čoskoro vydržať oveľa dlhšie: Nový výskum drasticky zvyšuje životnosť lítium-iónových batérií
Vedci z Argonne National Laboratory prinášajú katódy s novou štruktúrou, ktorá takmer vôbec nestráca kapacitu.
Prelomový objav výskumníkov z laboratória Argonne by mohol priniesť lítium-iónové batérie, ktoré vydržia dlhšie než súčasné modely.
Laboratórium je vo výskume batérií ako doma a ďalší z rady objavov sa zameriava na katódu zloženú z oxidu nikla, mangánu a kobaltu. Podarilo sa im vytvoriť novú štruktúru mikročastíc takzvanej NMC katódy, vďaka čomu by mohli budúce lítium-iónové batérie pracovať pri vyššom napätí a zároveň by mali oveľa väčšiu životnosť.
Lítium-iónové je najrozšírenejší druh batérie, ktorá sa nachádza vo väčšine elektronických zariadení. Batéria však nevydrží večne a medzi jej najväčšie nedostatky patrí hlavne strata kapacity. Životnosť batérie sa meria v nabíjacích cykloch, teda od úplného vybitia batérie až po úplné nabitie. Čím viac nabíjacích cyklov batéria zvládne, tým je jej životnosť prirodzene dlhšia. Ani tie najlepšie modely sa však nevyhnú degradácii. Všimnúť si to môžeme hlavne pri smartfónoch, kedy už po niekoľkých rokoch nabíjame zariadenia častejšie ako na začiatku. Našťastie existuje niekoľko tipov, ako si životnosť predĺžiť.
Katódou batérie sa v elektrochémii označuje elektróda, na ktorej prebieha redukcia. Katóda má pri elektrolýze záporný náboj, pri elektrickom článku kladný náboj. V elektronike však zvyčajne predstavuje elektródu so záporným napätím.
Koniec degradácie batérie?
Vedci z laboratória vysvetľujú, že súčasné NMC katódy predstavujú výraznú bariéru pri práci pri vysokom napätí. Navyše pri cykle nabíjania a vybíjania batérie životnosť katódy prudko klesá kvôli prasklinám tvoriacim sa v hranici medzi kryštalickými časticami. Táto hranica vzniká v momente, keď sa stretnú dve rovnaké kryštalické štruktúry s odlišnou orientáciou. Už niekoľko desaťročí sa vedci pokúšali nájsť spôsob, ako tieto praskliny odstrániť.
Neprehliadnite
V minulosti skúšali niekoľko odlišných prístupov, no úspech prišiel až s použitím monokryštalických častíc. Elektrónová mikroskopia odhalila, že takéto častice nemali mať hranice. Problémom bolo, že praskliny sa stále vytvárali, či už použili polykryštalickú alebo monokryštalickú katódu. Keď sa na štruktúru pozreli prostredníctvom presnejších metód, zistili že aj monokryštalické častice majú svoje hranice.
Tím výskumníkov preto hľadal spôsob, ako vytvoriť bezhraničné monokryštály. Pri testovaní častíc si všimli, že pri vysokom napätí katódy ukladali o 25% viac energie s takmer žiadnou stratou kapacity naprieč stovkou nabíjacích cyklov. V prípade dnešných NMC katód pri rovnakých podmienkach klesne kapacita o 60% až 88%.
Ďalší výskum odhalil, že hranice častíc sú najviac náchylné k strate atómov kyslíka počas nabíjania. Táto strata vedie k degradácii batérie. Odstránenie hraníc zabraňuje uvoľneniu kyslíka a tým zvyšuje bezpečnosť katódy a jej stabilitu.
„Vytvorili sme postup, ktorý môžu výrobcovia lítium-iónových batérií využiť. Pomocou neho si vytvoria materiál potrebný pre katódu, ktorý nemá hranice a pracuje pri vysokých napätiach,“ vysvetľuje Khalil Amine z laboratória Argonne.
Komentáre