Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) to ładowalne ogniwo dla smartfonów i większości współczesnych gadżetów zasilanych bateryjnie. Pomimo ich dominacji, akumulatory litowo-jonowe mają ograniczoną moc, stosunkowo krótką żywotność i mogą stać się zagrożeniem pożarowym w przypadku uszkodzenia lub nieprawidłowego naładowania. Te niedogodności mogą pozostać przeszłością w niezbyt odległej przyszłości, jeśli gadżety przejdą na technologie baterii ze stałym elektrolitem (albo inaczej baterii półprzewodnikowej).
Nowe akumulatory
Nowe badania przeprowadzone przez zespół inżynierów Columbia University (za pośrednictwem phys.org), odkryły metodę stabilizacji stałych elektrolitów w litowo-metalowych bateriach półprzewodnikowych. Zastosowanie nanopowłoki z azotku boru pozwala produkować akumulatory, które oferują do 10 razy większą pojemność niż akumulatory litowo-jonowe na bazie grafitu. Ponadto elektrolity ceramiczne często stosowane w konstrukcji baterii półprzewodnikowych są niepalne, co zmniejsza obawy o bezpieczeństwo.
Technologia baterii półprzewodnikowych nie jest zupełnie nowym pomysłem, ale materiały, bezpieczeństwo projektowania, koszty i techniki produkcji utrudniają jego przyjęcie. W związku z powyższym należy zrozumieć, dlaczego tkwimy w tradycyjnych bateriach litowo-jonowych i dlaczego nie są one tak łatwe do wymiany.
Kłopot z dendrytami
Oprócz kosztów, dendryty są największym problemem w przypadku baterii półprzewodnikowych. Dendryt jest podobnym do kryształu nagromadzeniem litu metalicznego, który zwykle zaczyna się na anodzie i może rosnąć w całej baterii. Dzieje się tak w wyniku wysokiego ładowania i rozładowywania, gdzie jony w stałym elektrolicie łączą się z elektronami, tworząc warstwę metalu litowego.
Wzrost dendrytów zmniejsza dostępną pojemność elektrolitu baterii, zmniejszając jej ładunek. Co gorsza, duże nagromadzenie dendrytów ostatecznie przebije separator katody/anody akumulatora, powodując zwarcie, które zniszczy akumulator i może spowodować pożar.
Dlaczego tkwimy w akumulatorach litowo-jonowych?
Dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe omijają problem dendrytów, wykorzystując ciekłe elektrolity, a nie stały metal, który pozwoliłby na zapakowanie jonów bliżej siebie w celu uzyskania większej pojemności. Niestety, ciecz ta jest łatwopalna, co może spowodować spalanie akumulatorów litowo-jonowych pod wysokim ciśnieniem, ciepłem lub prądem. Grafit jest następnie często stosowany w interkalowanym materiale anody litowej, oferując długoterminową stabilność przy pewnych kosztach maksymalnego przepływu ładunku. Grafen i stopy na bazie krzemu doświadczyły wielu eksperymentów w celu poprawy wydajności.
To wszystko razem: chemikalia, materiały i konstrukcja akumulatorów litowo-jonowych ograniczają tworzenie się dendrytów, zasadniczo redukując i kontrolując przepływ jonów. Kompromis to utrata gęstości i pojemności akumulatora oraz zwiększona palność i potrzeba ochrony. Z kolei ogniwa litowo-metalowe są uważane za święty Graal akumulatorów, ale są znacznie trudniejsze do stabilizacji niż ciekłe ogniwa litowo-jonowe.
Zobacz także: Jaki będzie aparat w iPhonie 11?
Nowe badania rozwiążą problem?
Badania zespołu Columbia University Engineering, przeprowadzone z kolegami z Brookhaven National Lab i City University of New York, oferują rozwiązanie problemu dendrytów dla baterii półprzewodnikowych.
Nanofolia z 5 do 10 nm azotku boru (BN) izoluje metal litowy i przewód jonowy. Izolacja dwóch warstw zapobiega gromadzeniu się dendrytów lub zwarciom, ale jest wystarczająco cienka, aby zmaksymalizować gęstość energii akumulatora. Technologia wykorzystuje również niewielką ilość ciekłego elektrolitu, ale w projekcie zastosowano głównie ceramiczną, półprzewodnikową konstrukcję zapewniającą maksymalną pojemność energetyczną. Ta warstwa BN została zaprojektowana z wbudowanymi defektami, umożliwiającymi przejście jonów litu w celu naładowania i rozładowania baterii.
W skrócie, zespół stworzył bardzo cienką barierę, która zapobiega występowaniu dendrytów. To z kolei umożliwia stosowanie bardzo zwartych elektrolitów ceramicznych, które oferują większą pojemność niż tradycyjne baterie litowo-jonowe, zmniejszają ryzyko pożaru i wydłużają żywotność baterii. Kolejny etap badań obejmie szerszą gamę niestabilnych elektrolitów stałych i zajmie się optymalizacją produkcji.
Źródło: androidauthority
Adam Lulek
Doktor nauk ekonomicznych w dyscyplinie finanse, wykładowca, maniak GPW, gier strategicznych, smartfonów i nowych technologii. Sympatyk kolejnictwa i muzyki elektronicznej.