Oamenii de știință au realizat baterii reîncărcabile mai eficiente
Inginerii din întreaga lume s-au întrecut în a proiecta baterii reîncărcabile mai mici, mai ieftine și mai eficiente pentru a satisface nevoile de stocare a energiei pentru mai multe aplicații, de la gadget-uri portabile la baterii pentru mașini electrice.
Într-o lucrare publicată în revista Nature Nanotechnology, cercetătorii de la Universitatea Stanford au anunțat că au făcut un pas mare spre realizarea unei baterii la care alți oameni de știință au lucrat timp de zeci de ani — proiectarea unui anod pur din litiu, scrie phys.org.
Toate bateriile au trei componente de bază: un electrolit, un anod și un catod. Astăzi, spunem că avem baterii cu litiu, însă acest lucru este doar parțial adevărat. Ceea ce avem în prezent sunt baterii litiu-ion. Litiul se află în electrolit, dar nu și în anod. Un anod din litiu pur ar însemna o eficiență mare a bateriei.
„Dintre toate materialele care s-ar putea folosi într-un anod, litiul are cel mai mare potențial. Unii îl numesc Sfântul Graal,” a declarat Yi Cui, profesor de Știința și Ingineria Materialelor și lider al echipei de cercetare.
„Este foarte ușor și are cea mai mare densitate de energie. Ai mai multă putere per volum și greutate, ceea ce duce la baterii mai ușoare, mai mici, cu mai multă putere,” punctează Yi Cui.
Inginerii au încercat mult timp și nu a reușit să ajungă la această performanță
„Litiul are provocări majore, fiind foarte dificil de folosit în anozi. Mulți ingineri au renunțat la cercetări, dar noi am găsit o modalitate de a proteja litiul de problemele care l-au afectat pentru mult timp,” spune Guangyuan Zheng, candidat la doctorat în laboratorul lui Yi Cui și primul autor al lucrării.
Pe lângă Zheng, în echipa de cercetare lucrează și Steven Chu, fostul secretar al Energiei SUA și laureat al Premiului Nobel.
„În termeni practici, dacă putem îmbunătăți capacitatea unei baterii, să zicem, de patru ori față de cele de azi, ar fi excelent. Ea ar putea fi capabilă să dubleze sau să tripleze durata de viață a unui telefon mobil,” precizează Chu.
În lucrare, autorii explică modul în care au depășit provocările legate de litiu
Cele mai multe baterii litiu-ion, cum ar fi cele pe care le putem găsi într-un telefon inteligent sau la o mașină hibrid, funcționează într-un mod similar. Componentele cheie includ un anod și un catod, în care electronii sunt reintroduși în baterie după ce au trecut prin circuit. Cele două componente sunt separate de către electroliți, substanțe care conțin ioni liberi mobili, încărcați pozitiv, care se deplasează între anod și catod.
În timpul încărcării, ionii de litiu încărcărcați pozitiv în electrolit sunt atrași de către anodul încărcat negativ și litiul se acumulează pe anod. Astăzi, anodul dintr-o baterie litiu-ion este de fapt fabricat din grafit sau din siliciu.
Inginerii au dorit să folosească litiu în anod, însă până acum nu au reușit să facă acest lucru. Asta pentru că, în timpul încărcării, ionii de litiu se extindeau în timp ce se ajungeau în anod.
Toate materialele anodului, inclusiv grafitul și siliciul, se extind oarecum în timpul încărcării, dar nu ca litiul. Cercetătorii spun că expansiunea litiului în timpul încărcării este „practic infinit” față de alte materiale. Expansiunea sa este, de asemenea, neuniformă, cauzând gropi și fisuri, vizibile pe suprafața exterioară, cum ar fi vopseaua de pe exteriorul unui balon umflat. Prevenirea acestui proces a fost o provocare în crearea unui anod din litiu pur.
A doua provocare este că un anod din litiu are o reacție chimică cu electroliții. Practic, solicită electroliții și reduce durata de viață a bateriei.
O altă problemă este că anodul și electroliții produc căldură atunci când vin în contact. Bateriile cu litiu, inclusiv cele utilizate în prezent, se pot supraîncălzi până la punctul de incendiu, sau chiar explozie, și sunt, prin urmare, o preocupare serioasă în ceea ce privește siguranța. Recentele incendii ale bateriilor în mașinile Tesla și pe Dreamliner Boeing sunt exemple elocvente ale provocărilor legate de bateriile litiu-ion.
Construirea nanosferelor
Pentru a rezolva aceste probleme, cercetătorii de la Stanford au construit un strat protector de cupole din carbon interconectate pe partea de sus al anodului din litiu. Acest strat este numit de către echipă nanosferă.
Nanosfera echipei de la Stanford seamănă cu un fagure de miere: creează un strat flexibil, uniform și nonreactiv, care protejează litiul. Peretele nanosferei din carbon are o grosime de doar 20 de nanometri. Prin comparație, ar fi nevoie de aproximativ 5.000 de straturi suprapuse pentru a egala lățimea unui singur fir de păr.
„Un strat protector ideal pentru un anod metalic din litiu trebuie să fie stabil chimic pentru a proteja împotriva reacțiilor chimice cu electroliții și pentru a rezista la extinderea litiului în timpul încărcării”, a declarat Cui.
Stratul cercetătorilor face exact acest lucru. El e fabricat din carbon amorf, stabil chimic, dar puternic și flexibil, astfel încât se poate mișca liber în sus și în jos împreună cu litiul, pe măsură ce se extinde și se contractă în timpul normal de ciclu de încărcare-descărcare al bateriei.
Roxana Muntean
