Baterie litowe z półstałą elektrodą

W miarę jak naukowcy przekraczają kolejne granice konstrukcji akumulatorów, starając się uzyskać coraz większą moc w danej przestrzeni czy wadze, jedną z bardziej obiecujących spośród rozwijanych obecnie technologii są akumulatory litowo-jonowe, wykorzystujące zamiast typowej cieczy stały elektrolit pomiędzy elektrodami.

Jednak główną wadą tego typu baterii jest ich tendencja do tworzenia się rozgałęzień metalowych zwanych dendrytami na jednej z elektrod, ostatecznie mostkujących elektrolit i powodujących zwarcie baterii. Naukowcy z MIT we współpracy z innymi uniwersytetami znaleźli sposób, aby zapobiec tworzeniu się dendrytów, uwalniając nowy potencjał baterii ze stałym elektrolitem o dużej mocy.

Odkrycia opisano w czasopiśmie Nature Energy, w artykule Richarda Parka, doktoranta MIT, profesorów Yet-Ming Chianga i Craiga Cartera oraz siedmiu innych członków zespołu z MIT, Texas A&M University, Brown University i Carnegie Mellon University. Jak wyjaśnia Chiang, akumulatory ze stałym elektrolitem są od dawna poszukiwaną technologią z dwóch powodów: bezpieczeństwa i gęstości energii: ‘Jedynym sposobem na osiągnięcie pożądanych gęstości energii jest użycie metalowej elektrody. I chociaż jest możliwe połączenie metalowej elektrody z ciekłym elektrolitem i uzyskanie w ten sposób zadowalającej gęstości energii, nie zapewnia to takich samych korzyści w zakresie bezpieczeństwa, jak stały elektrolit’. 

Próby opracowania baterii ze stałym elektrolitem były utrudnione przez wzrost dendrytów, które ostatecznie wypełniają lukę między dwiema płytami elektrod i zwierają obwód, osłabiając lub dezaktywując ogniwo w baterii. Wiadomo, że dendryty tworzą się szybciej, gdy przepływ prądu jest większy - co jest ogólnie pożądane, aby umożliwić szybkie ładowanie. Jak dotąd, gęstości osiągnięte w eksperymentalnych bateriach ze stałym elektrolitem, były znacznie niższe niż te, które byłyby potrzebne dla praktycznego zastosowania komercyjnego akumulatora wielokrotnego ładowania. Jednak sytuacja ta zmienia się i obecnie ilość energii, jaką można zmagazynować w eksperymentalnych wersjach takich ogniw, jest już prawie dwukrotnie większa niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.

Zespół rozwiązał problem wzrostu dendrytów, przyjmując kompromis między stanem stałym i ciekłym. Naukowcy opracowali półstałą elektrodę, stykającą się ze stałym elektrolitem. Półstała elektroda zapewniała rodzaj ‘samonaprawiającej’ się powierzchni na granicy faz, która zastąpiła kruchą powierzchnię ciała stałego, mogącą prowadzić do drobnych pęknięć, stanowiących początkowe zarodki formowania się dendrytu.

Pomysł został zainspirowany eksperymentalnymi akumulatorami wysokotemperaturowymi, w których jedna lub obie elektrody składają się ze stopionego metalu. Według Parka, pierwszego autora artykułu, temperatura setek stopni w akumulatorach ze stopionego metalu nigdy nie byłaby praktyczna dla urządzenia przenośnego, ale eksperyment wykazał, że interfejs w postaci cieczy może zapewnić wysokie gęstości prądu bez tworzenia dendrytów. ‘Motywacją był tutaj rozwój elektrod opartych na starannie dobranych stopach w celu wprowadzenia fazy ciekłej, która może służyć jako samonaprawiający się składnik elektrody’ - mówi Park.

Materiał jest bardziej stały niż płynny, wyjaśnia Park, przypomina amalgamat używany przez dentystów do wypełnienia ubytku - metal znajdujący się generalnie w stanie stałym, ale mogący nadal płynąć i być łatwo kształtowany. W normalnych temperaturach pracy, bateria pozostaje w trybie, w którym występuje zarówno faza stała, jak i ciekła. Zespół zastosował stop sodu i potasu i wykazał, że można uruchomić system przy 20-krotnie większym natężeniu prądu niż przy użyciu stałego litu, bez tworzenia jakichkolwiek dendrytów.

W drugiej wersji baterii ze stałym elektrolitem zespół wprowadził bardzo cienką warstwę ciekłego stopu sodowo-potasowego pomiędzy stałą elektrodą litową a stałym elektrolitem. Wykazali, że to podejście może również rozwiązać problem dendrytów, zapewniając alternatywne podejście do dalszych badań.