W nowej generacji akumulatorów litowych zastosowany zostanie nowy typ anody na bazie ołowiu

Baterie litowo-jonowe zapewniają zasilanie wszystkich urządzeń, od smartfonów, przez laptopy, po pojazdy elektryczne. Naukowcy na całym świecie poszukują nowych i ulepszonych komponentów do produkcji lepszych akumulatorów do tych i innych zastosowań.

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) ogłosili nową elektrodę zaprojektowaną do akumulatorów litowo-jonowych wykorzystującą tanie materiały, takie jak ołów i węgiel. Do tego ważnego odkrycia przyczynili się także naukowcy z Northwestern University, Brookhaven National Laboratory oraz Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST).

Eungje Lee, główna autorka i specjalistka ds. materiałoznawstwa w dziedzinie nauk chemicznych i inżynierii (CSE) na Uniwersytecie Argonne, stwierdziła: „Nasze badania mają ekscytujące implikacje w zakresie projektowania tanich, wydajnych i zrównoważonych akumulatorów litowo-jonowych, które mogą zapewnić energię dla pojazdów hybrydowych i wszystkie pojazdy elektryczne.”

Zasada działania akumulatorów litowo-jonowych polega na wprowadzaniu jonów litu do anody podczas ładowania i usuwaniu ich podczas rozładowywania. Obecna anoda grafitowa może przejść tysiące takich cykli rozładowania, ale wydaje się, że osiągnęła swój limit pod względem zdolności magazynowania energii.

Lee powiedział: „Zdecydowaliśmy się zbadać ołów jako substytut grafitu jako materiału anodowego. Ołów jest szczególnie atrakcyjny, ponieważ jest zarówno tani, jak i niedrogi. Ponadto ze względu na długą historię akumulatorów kwasowo-ołowiowych zapewniających pomocnicze zasilanie samochodów , ma kompletny łańcuch dostaw i jest jednym z materiałów najczęściej poddawanych recyklingowi na świecie. W Stanach Zjednoczonych obecny wskaźnik odzysku ołowiu wynosi 99%.

Li dodał: „Nasza nowa anoda może zapewnić nowe źródło przychodów dla dużego przemysłu zajmującego się obecnie produkcją i recyklingiem akumulatorów kwasowo-ołowiowych”.

Anoda zespołu nie jest zwykłą płytką ołowianą, ale niezliczonymi mikroskopijnymi cząsteczkami o złożonej strukturze: nanocząsteczkami ołowiu osadzonymi w matrycy węglowej i otoczonymi cienką powłoką tlenku ołowiu. Chociaż ta struktura wydaje się skomplikowana, zespół opracował prostą i tanią metodę produkcji.

„Nasza metoda polega na mieszaniu dużych cząstek tlenku ołowiu z proszkiem węglowym i oscylowaniu przez kilka godzin, aż utworzą się mikroskopijne cząstki o pożądanej strukturze rdzeń-powłoka” – wyjaśnił Christopher Johnson, główny badacz projektu i wybitny badacz w Argonne, CSE.

Testy przeprowadzone na akumulatorach laboratoryjnych obejmujących ponad 100 cykli rozładowania wykazały, że zdolność magazynowania energii nowej anody nanokompozytowej na bazie ołowiu jest dwukrotnie większa niż obecnie stosowanej anody grafitowej (standaryzowanej dla tej samej masy). Możliwa jest stabilna wydajność podczas procesu cyklicznego, ponieważ małe rozmiary cząstek mogą złagodzić naprężenia, podczas gdy matryca węglowa zapewnia wymaganą przewodność i działa jako bufor zapobiegający uszkodzeniom związanym ze zwiększaniem objętości podczas procesu cyklicznego. Zespół badawczy odkrył również, że dodanie niewielkiej ilości węglanu fluoroetylu do standardowego elektrolitu znacznie poprawia wydajność.

Naukowcy badali mechanizmy ładowania i rozładowywania anody w Centrum Zaawansowanych Źródeł Promieniowania GeoSoilEnviro (GSECARS) prowadzonym przez Uniwersytet w Chicago, mieszczącym się w Argonie, w biurze DOE Science User Facility Office. Dzięki synchrotronowej dyfrakcji promieni rentgenowskich są w stanie śledzić przejście fazowe materiałów elektrody ujemnej podczas ładowania i rozładowywania. Wyniki tej charakterystyki, w połączeniu z wynikami zebranymi przez Centrum Charakteryzacji Atomowej i Nanoskali Uniwersytetu Northwestern oraz Narodowe Źródło Światła Synchrotronowego II w Brookhaven, ujawniają reakcje elektrochemiczne zachodzące pomiędzy jonami ołowiu i litu podczas ładowania i rozładowywania, które zostały zbadane wcześniej nieznany.

Lee powiedział: „To fundamentalne spostrzeżenie może być ważne dla zrozumienia mechanizmu reakcji między anodami ołowiowymi i krzemowymi”.

Anoda krzemowa to kolejny niedrogi i wydajny wybór dla nowej generacji akumulatorów litowo-jonowych.

Johnson powiedział: „Nasze odkrycie podważa obecne zrozumienie tego materiału elektrody”. Nasze odkrycie zapewnia również ekscytujące implikacje w projektowaniu tanich, wysokowydajnych materiałów anodowych do transportu i stałego magazynowania energii, takich jak rezerwowe źródła zasilania dla sieci energetycznej. "

Artykuł zespołu został opublikowany w niedawno opublikowanym czasopiśmie Advanced Functional Materials.