U misiji da naprave bolje baterije za električna vozila, hemičari u Nacionalnoj laboratoriji u Brukhejvenu Ministarstva energetike SAD (DOE) koristili su aditiv za elektrolite da poboljšaju funkcionalnost litijum-metalnih baterija sa gustom energijom. Dodavanjem jedinjenja zvanog cezijum nitrat u elektrolit koji odvaja anodu i katodu baterije, istraživački tim je značajno poboljšao brzinu punjenja litijum metalnih baterija uz održavanje dugog ciklusa.
Novi rad tima, nedavno objavljen u Nature Communications, cilja na međufazu – zaštitni sloj formiran na anodi i katodi baterije. Ovaj sloj, koji sprečava degradaciju elektroda baterija, je ključ za stvaranje litijum metalnih baterija koje se mogu puniti i prazniti onoliko puta koliko i litijum-jonske baterije.
„Želeli smo da poboljšamo brzinu punjenja trenutnih najsavremenijih litijum-metalnih baterija“, objasnio je Muhamed Mominur Rahman, naučni saradnik u Grupi za skladištenje elektrohemijske energije Hemijskog odeljenja u Brookhejvenu i prvi autor novog dokumenta. . „Ali, takođe smo želeli da stabilizujemo baterije sa zaštitnom međufazom kako bi duže trajale.“
Osim što je uspešno stabilizovao bateriju, Rahmanov aditiv za elektrolit promenio je hemiju baterije na neočekivan način.
„Mominurova otkrića dovode u pitanje konvencionalna uverenja o komponentama efikasne interfaze“, rekao je Enjuan Hu, hemičar iz Brookhejvena i glavni istraživač u okviru Grupe za skladištenje elektrohemijske energije. „Uzbuđeni smo što vidimo kako ovi nalazi doprinose velikom naporu DOE fokusiranog na litijum metalne baterije.
Jedan korak ka većem cilju
Hu i njegov tim rade među drugim stručnjacima za baterije kao deo Batteri500 konzorcijuma, saradnje nekoliko nacionalnih laboratorija i univerziteta. Konzorcijum, koji predvodi Nacionalna laboratorija za severozapad Pacifika DOE, nastoji da napravi baterije sa gustinom energije od 500 vat-časova po kilogramu – što je više nego dvostruko više od gustine energije današnjih najsavremenijih baterija.
Ova gustina energije ne može se postići u litijum-jonskim baterijama koje napajaju većinu današnjih uređaja na baterije — uključujući telefone, daljinske upravljače za televizor, pa čak i električna vozila. Dakle, naučnici su morali da se okrenu litijum metalnim baterijama da bi ostvarili svoje ciljeve. Ove baterije imaju litijum-metalnu anodu, a ne grafitnu anodu prisutnu u litijum-jonskim baterijama.
„Litijum metalna baterija je atraktivna jer može dati dvostruko veću gustinu energije od baterije sa grafitnom anodom“, objasnio je Rahman. „Ali postoji mnogo izazova za rešavanje.“
Brookhavenovo najnovije istraživanje bavi se jednim od ovih izazova — uspostavljanjem ravnoteže između brzine punjenja i životnog veka ciklusa.
Elektrolit koji obično omogućava brzo punjenje baterije takođe će verovatno biti reaktivan sa litijum metalnom anodom. Ako se ove hemijske reakcije odvijaju nekontrolisano, elektrolit se raspada i smanjuje životni vek baterije. Da bi sprečili da se to dogodi, hemičari iz Brookhejvena su krenuli da konstruišu međufazu.
Prethodne studije su pokazale da se litijum metalna anoda može stabilizovati dodatkom cezijuma. Ali da bi se povećala brzina punjenja uz održavanje životnog ciklusa baterije, anoda i katoda moraju biti stabilizovane istovremeno. Naučnici iz Brukhejvena verovali su da cezijum nitrat može poslužiti za ovu svrhu za litijum-metalne baterije. Kao što su pretpostavili, pozitivni jon cezijuma se akumulirao na negativno naelektrisanoj litijum metalnoj anodi baterije, dok se negativni nitratni jon akumulirao na pozitivno naelektrisanoj katodi.
Da bi bolje razumeli kako je aditiv cezijum nitrata uticao na sastav elektrolita i performanse baterija, hemičari su doneli nove baterije u Nacionalni sinhrotronski izvor svetlosti II (NSLS-II), korisnički objekat DOE Kancelarije za nauku u laboratoriji Brookhaven.
