Το λιθικό μέταλλο, επιλεγμένο για ανόδους μπαταριών λόγω της υψηλότερης ενεργειακής πυκνότητάς του σε σχέση με άλλα υλικά, αποτελεί έξυπνη επιλογή. Ωστόσο, προκύπτουν προκλήσεις στη διασύνδεση μεταξύ της ηλεκτρόδιου και του ηλεκτρολύτη, παρουσιάζοντας ευκαιρίες για βελτιώσεις προκειμένου να επιτευχθεί ασφαλέστερη και πιο αποδοτική λειτουργία σε μελλοντικές εφαρμογές.
Οι ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Tsinghua επιδιώκουν την αντικατάσταση της γραφίτης ανόδου με έναν ανόδο από λιθικό μέταλλο για την κατασκευή ενός συστήματος μπαταριών με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Ωστόσο, ο ανόδος από Li μέταλλο είναι ασταθής και αντιδρά εύκολα με τους ηλεκτρολύτες για να δημιουργήσει μια στερεά διασταύρωση ηλεκτρολύτη (SEI). Δυστυχώς, η φυσική SEI είναι τραχιά και εύθραυστη, με αποτέλεσμα τη χαμηλή διάρκεια ζωής και απόδοση.
Εδώ, οι ερευνητές εξετάζουν μια αντικατάσταση της φυσικής SEI, η οποία μπορεί να αντιμετωπίσει αποτελεσματικά τις παράπλευρες αντιδράσεις εντός του συστήματος μπαταριών. Η απάντηση είναι η ASEI: τεχνητή στερεά διασταύρωση ηλεκτρολύτη. Η ASEI διορθώνει μερικά από τα προβλήματα που ταλανίζουν το γυμνό ανόδο από λιθικό μέταλλο για να δημιουργήσει μια πιο ασφαλή, αξιόπιστη και ακόμα ισχυρότερη πηγή ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μεγαλύτερη εμπιστοσύνη σε ηλεκτρικά οχήματα και άλλες παρόμοιες εφαρμογές.
Δημοσίευση και σημασία της έρευνας
Οι ερευνητές δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Energy Materials and Devices στις 25 Σεπτεμβρίου.
“Οι τεχνολογίες μπαταριών επαναστατούν τον τρόπο ζωής μας και σχετίζονται στενά με τη ζωή όλων μας. Για να πραγματοποιήσουμε μια πραγματικά ανθρακο-δωρεάν οικονομία, απαιτούνται μπαταρίες με καλύτερη απόδοση για να αντικαταστήσουν τις υφιστάμενες μπαταρίες Li-ion”, δήλωσε η Yanyan Wang, συγγραφέας και ερευνήτρια της μελέτης.
Οι μπαταρίες λιθίου με μεταλλικό ανόδο (LMBs) είναι ένας τέτοιος υποψήφιος. Ωστόσο, ο ανόδος, το μεταλλικό λιθίο, αντιδρά με τον ηλεκτρολύτη και σχηματίζει ένα πάσσαλο στην επιφάνεια του κατά τη λειτουργία της μπαταρίας, που ονομάζεται στερεά διασταύρωση ηλεκτρολύτη. Ένα άλλο πρόβλημα του ανόδου από μεταλλικό λιθίο είναι η λεγόμενη “ανάπτυξη δενδριτών”, που εμφανίζεται κατά τη φόρτιση της μπαταρίας. Οι δενδρίτες μοιάζουν με δομές κλαδιού δέντρου που προκαλούν εσωτερικές βλάβες στην μπαταρία, οδηγώντας σε βραχυκυκλώματα, κακή απόδοση και πιθανούς κινδύνους ασφάλειας. Αυτά τα αδύναμα σημεία μειώνουν συνολικά την πρακτικότητα των LMBs και θέτουν ορισμένες προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν.
Στρατηγικές για τη Βελτίωση των Ανόδων από Λιθικό Μέταλλο
Η ανασκόπηση παρουσιάζει ορισμένες στρατηγικές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ενός πιο αποτελεσματικού και ασφαλούς ανόδου από μεταλλικό λιθίο. Για τη βελτίωση του ανόδου από μεταλλικό λιθίο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι είναι απαραίτητο να ομογενοποιηθεί η διανομή των ιόντων λιθίου, η οποία μπορεί να βοηθήσει στη μείωση των καταθέσεων στις αρνητικά φορτισμένες περιοχές των μπαταριών.
Αυτό, αντίστροφα, θα μειώσει τη δημιουργία δενδριτών και μπορεί να αποτρέψει την πρόωρη φθορά και τα βραχυκυκλώματα. Επιπλέον, η δημιουργία ενός πιο εύκολου τρόπου διάχυσης των ιόντων λιθίου και η εξασφάλιση ηλεκτρικής μόνωσης μπορούν να βοηθήσουν στη διατήρηση της ακεραιότητας της δομής, τόσο φυσικά όσο και χημικά, κατά την κύκλωση της μπαταρίας. Πιο σημαντικό, η μείωση της έντασης μεταξύ της διασύνδεσης της ηλεκτρόδιο και του ηλεκτρολύτη μπορεί να εξασφαλίσει τη σωστή συνδεσιμότητα μεταξύ των στρωμάτων, που είναι μέρος της λειτουργικότητας της μπαταρίας.
Το δυναμικό των στρωμάτων ASEI και Οι Μελλοντικές Κατευθύνσεις
Οι στρατηγικές που φαίνεται να έχουν το μεγαλύτερο δυναμικό είναι οι πολυμερείς στρώσεις ASEI και οι υβριδικές οργανικές-ανόργανες στρώσεις ASEI. Οι πολυμερείς στρώσεις έχουν επαρκή προσαρμοστικότητα στον σχεδιασμό τους, με τη δύναμη και την ελαστικότητα να είναι εύκολα ρυθμιζόμενες. Οι πολυμερείς στρώσεις έχουν επίσης παρόμοιες λειτουργικές ομάδες με τους ηλεκτρολύτες, γεγονός που τις καθιστά εξαιρετικά συμβατές. Αυτή η συμβατότητα είναι ένα από τα σημαντικότερα σημεία όπου άλλα στοιχεία υστερούν. Οι υβριδικές οργανικές-ανόργανες στρώσεις είναι οι καλύτερες για τη μείωση του πάχους του στρώματος και τη σημαντική βελτίωση της κατανομής των συστατικών μέσα στα στρώματα, προκειμένου να βελτιωθεί η συνολική απόδοση της μπαταρίας.
Το μέλλον των στρωμάτων ASEI είναι λαμπρό, αλλά απαιτεί ορισμένες βελτιώσεις. Οι ερευνητές θα ήθελαν κυρίως να δουν βελτιώσεις στην προσκόλληση των στρωμάτων ASEI στην επιφάνεια του μετάλλου, η οποία συνολικά βελτιώνει τη λειτουργία και τη μακροζωία της μπαταρίας. Περαιτέρω πεδία που απαιτούν προσοχή είναι η σταθερότητα της δομής και της χημείας εντός των στρωμάτων, καθώς και η ελαχιστοποίηση του πάχους των στρωμάτων για τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας των μεταλλικών ανοδικών ηλεκτροδίων. Μόλις αυτά τα ζητήματα λυθούν, ο δρόμος για μια βελτιωμένη μπαταρία με μεταλλικό λιθίο θα είναι καλά διαμορφωμένος.
