U studiji objavljenoj u Nature Energy, dr Perla Balbuena i dr Horhe Seminario, profesori na Artie McFerrin odeljenju za hemijsko inženjerstvo na Teksaškom A&M univerzitetu, razvili su novu metodu za razumevanje uticaja spoljašnjeg pritiska na litijum-metalne baterije koristeći kvantne mehanika. Dublje razumevanje ponašanja litijum jona pod pritiskom može unaprediti i poboljšati procese proizvodnje litijum-metalnih baterija kako bi se razvile dugotrajnije, efikasnije tehnologije baterija.
„Ovaj rad je prelepa demonstracija uticaja analize prvih principa ab initio na dizajn makroskopskih procesa“, rekao je Balbuena. „Slične metode se mogu koristiti za razvoj poboljšanih hemijskih i fizičkih procesa, utičući na hemijsko inženjerstvo, električnu, mehaničku, nauku o materijalima i biološka polja.“
Ovo istraživanje je u toku u okviru Batteri500 konzorcijuma, saradnje između nacionalnih laboratorija i akademske zajednice za pouzdanije baterije za vozila sa visokim učinkom, i koje vodi Nacionalna laboratorija Pacific Northvest kako bi pomogla u postizanju ciljeva koje je postavilo Ministarstvo energetike.
Litijum-jonske baterije su revolucionisale mobilnu elektroniku, što je dovelo do razvoja nanoelektronike i kompaktnih uređaja koji mogu udobno da stanu u naše džepove. Uprkos njihovoj upotrebi u pametnim telefonima, satovima, igračkama, laptopovima, električnim vozilima i mrežama, litijum-jonske baterije se i dalje suočavaju sa mnogim problemima, a jedan od najznačajnijih je njihova gustina energije, koja je ograničena komponentama baterije.
Prema Seminariju, litijum-jonske baterije funkcionišu oslanjajući se na dve esencijalne elektrode za pretvaranje litijum jona u neutralne vrste, čuvajući svoju energiju kao hemijsku energiju. Pored toga, oni transformišu ove neutralne vrste nazad u jone, omogućavajući transport njihove energije kao električne energije.
Prva elektroda je anoda (negativna elektroda), gde litijum joni poseduju maksimalnu energiju. Nasuprot tome, druga elektroda je katoda (pozitivna elektroda), gde je energija litijum-jona na minimumu. Ova inherentna razlika u nivoima energije objašnjava zašto litijum joni spontano migriraju sa anode na katodu tokom pražnjenja, omogućavajući elektronima da prate njihov primer spolja, čime se napaja spoljašnji uređaj koji nameravaju da napajaju.
Jedan obećavajući put za prevazilaženje ograničenja trenutnih komercijalnih litijum-jonskih baterija leži u istraživanju alternativnih materijala. Konkretno, zamena konvencionalne grafitne anode metalnim litijumom. Teoretski, ova zamena bi mogla povećati gustinu energije za faktor deset unutar anode.
Međutim, metal litijum je veoma reaktivan, što zahteva inovativne mere kontrole, kao što je primena spoljašnjeg pritiska na bateriju. I dok je poznato da spoljni pritisak ima dubok uticaj na performanse ćelija, trenutno nema izveštaja koji istražuju odnos između spoljašnjeg pritiska i galvanizacije (taloženje jona na metalnu površinu pomoću električnih polja) litijuma u ćelijama vrećice velikog formata. da poboljšate ukupne performanse. Štaviše, kada je baterija sastavljena i podvrgnuta ciklusu, njene komponente mogu doživeti promene zapremine, što dovodi do oticanja ćelija i utiče na performanse baterije i životni vek.
Njihovo istraživanje se fokusiralo na razumevanje zašto pritisak može pomoći u postizanju skoro ujednačene distribucije litijum-jona na anodi, čime se sprečava stvaranje dendrita – sitnih struktura nalik igli koje bi potencijalno mogle da dovedu do kratkog spoja baterije. Koristeći teorijsko-računarske tehnike, Tekas A&M tim je pažljivo analizirao precizne efekte pritiska na litijum-metalne anode.
„Koristili smo kvantnu mehaničku analizu da procenimo putanje litijum jona koji migriraju sa katode na anodu“, rekao je Balbuena. „Pošto je površina anode na koju litijum joni stižu za taloženje modifikovana efektom pritiska, razumevanje putanja Li jona omogućava nam da predvidimo naredne elektrodepozicije na površini anode.“
Ključni nalaz ovog istraživanja je da litijum joni pokazuju sklonost zaobilaženju ka regionima sa povišenim pritiskom ili višom koncentracijom atoma litijuma na površini. Ovo ponašanje nastaje usled električnog polja koje generiše litijum-metalna anoda.
Ovo otkriće će omogućiti istraživačima da predvide ponašanje novih materijala predloženih kao komponente za najsavremenije aplikacije. Sposobnost predviđanja ponašanja jona u ovim uslovima može otvoriti vrata širokoj upotrebi litijum-metalnih baterija razvijenih sa jeftinijom infrastrukturom i procesima proizvodnje i koje imaju duži vek trajanja baterije i povećanu funkcionalnost.
„Ovi nalazi imaju ogroman uticaj, jer povećavaju uvođenje teorijsko-računarskih tehnika prvih principa u oblasti dizajna novih materijala sa specifičnim karakteristikama“, rekao je Seminario. „Dok težimo čistijem i efikasnijem transportu, prevazilaženje ovih prepreka postaje ključno za široko usvajanje električnih vozila.“
