Baterije napajaju sve, od pametnih telefona do električnih vozila, a njihove performanse zavise od kritičnog interfejsa između elektrode i elektrolita. Penn State i istraživači iz industrije razvili su metod za posmatranje ovog interfejsa u višoj rezoluciji, što bi potencijalno moglo otkriti nove načine za poboljšanje efikasnosti baterije i životnog veka.
Svoje rezultate objavili su u časopisu Američkog hemijskog društva.
Elektroda je provodnik, poput metalne šipke ili ploče, koji deluje kao neka vrsta kapije koja omogućava elektricitetu da uđe i izađe iz baterije. Postoje dva tipa baterija: anode, koje su negativne elektrode, i katode, koje su pozitivne. Elektroliti su tečni medijum koji sprovodi jone između anode i katode, omogućavajući protok električne struje.
Interfejs elektroda – elektrolit je granica na kojoj se susreću čvrsta elektroda i tečni elektrolit. Ovaj interfejs igra ključnu ulogu u performansama baterija tako što utiče na to kako se joni i molekuli rastvarača akumuliraju, troše i prenose naelektrisanje.
Razumevanje ponašanja ovog interfejsa, posebno električnog dvostrukog sloja (EDL), je od suštinskog značaja za projektovanje efikasnijih i izdržljivijih baterija, kaže Jianvei Lai, diplomirani istraživač-asistent za energetiku i mineralno inženjerstvo i prvi autor studije.
„EDL upravlja migracijom jona i prenosom elektrona koji omogućavaju elektrohemijske reakcije u baterijama“, rekao je Lai. „Zato je proučavanje dvostrukog sloja glavni prioritet — može direktno uticati na performanse baterije.
Izazov je, međutim, što ovaj dvostruki sloj elektroda-elektrolit postoji na ultra-sićušnoj skali i veoma je dinamičan, promenljiva struktura u zavisnosti od primenjenog napona. Kako se napon menja, raspored jona i molekula u sloju se pomera.
Promene u sloju elektroda-elektrolita mogu učiniti bateriju manje efikasnom, smanjiti njeno skladištenje energije i skratiti njen vek, na primer kada se joni zaglave na pogrešnim mestima usporavajući nesmetan protok električne energije, slično kao što saobraćajne gužve usporavaju automobile na autoput.
„EDL je oko nanometarske skale, tako da ga je veoma teško okarakterisati“, objasnio je Lai. „A struktura nije statična – u velikoj meri zavisi od primenjenog naboja, što ga čini veoma izazovnim za direktno proučavanje.“
U prošlosti su naučnici koristili teorijske modele da bi razumeli strukturu EDL-a. Konvencionalne metode merenja, kao što su voltametrija, tradicionalna elektrokapilarnost i spektroskopija elektrohemijske impedanse, mogu pružiti indirektne, ali neprecizne, tragove. Ovo je posebno problematično, rekao je Lai, za složenije sisteme u današnjim baterijama, koji uključuju složene rastvore soli da pomognu bateriji da skladišti i oslobađa više energije.
Da bi prevazišli ove prepreke, Lai i tim su razvili novu, poboljšanu verziju elektrokapilarnosti. Ova tehnika meri kako se površinski napon interfejsa menja kada se primeni napon.
Novi pristup istraživača koristi napredne senzore i opremu za hvatanje brzih promena na interfejsu elektroda-elektrolit. Takođe su razvili nove analitičke metode za procenu ne samo ukupne međufazne napetosti već i specifične distribucije jona i potencijalnih varijacija na interfejsu, pružajući jasnije i detaljnije razumevanje performansi baterije.
Sa ovim merenjima, rekao je Lai, oni mogu da mapiraju strukturu dvostrukog sloja i potencijalni profil sa detaljima bez presedana.
„U poređenju sa tradicionalnim metodama, naš pristup visoke rezolucije poboljšava rezoluciju podataka 50 do 100 puta“, rekao je Lai. „Možemo da odredimo kako dvostruki sloj izgleda na svaki pojedinačni napon ili potencijal. Ova dinamična priroda je nešto što tradicionalne metode jednostavno nisu mogle da uhvate.“
Istraživači su koristili svoju naprednu tehniku da istraže elektrolite cink baterija, koji su sve popularniji izbor za proizvodnju baterija jer su bezbedni i jeftini. Međutim, teško je otkriti kako površina elektrolita stupa u interakciju sa elektrodom – i kako se joni kreću preko ove površine, rekao je Lai.
Način na koji se joni kreću na površini utiče na to koliko efikasno baterija radi, tako da bi razumevanje ove interakcije moglo da pruži uvid u razvoj boljih baterija. Sa svojom novom tehnikom, tim je otkrio da se više jona cinka skuplja u dvostrukom sloju, što dovodi do bržeg i efikasnijeg punjenja baterija.
Njihova analiza je otkrila da se joni cinka vode u pravi položaj pomoću jona hlorida, koji se čvrsto drže površine elektrode, pomažući da se više jona cinka usmeri na pravo mesto.
„Ova strategija ubrzava punjenje i čini baterije efikasnijim pomažući jonima cinka da se kreću brže tokom punjenja i pražnjenja“, rekao je Lai. „Sada možemo da vidimo koliko je ovaj aranžman jedinstven i kako poboljšava ukupne performanse, čineći baterije efikasnijim i pouzdanijim.“
Prema Lai, imajući jasniji pogled na to kako ovi delovi baterije funkcionišu zajedno, naučnici mogu bolje da izmere i shvate male interakcije između elektrode i elektrolita – omogućavajući im da shvate zašto određene komponente elektrolita ili dizajn jona mogu poboljšati performanse baterije. .
U suštini, tehnika može poslužiti kao univerzalna platforma za razumevanje zašto elektrolit bolje funkcioniše, što može da vodi dizajn efikasnijih baterija u budućnosti.
„Razumevanje ovog kritičnog interfejsa je od suštinskog značaja da nam pomogne da dizajniramo bolje, efikasnije i pouzdanije elektrolite za skladištenje energije“, rekao je Lai. „Ako znamo i individualnu konstituciju jona i profil potencijala međufaza, onda zaista možemo razumeti kako je interfejs strukturiran. Ovo je nešto što nikada nije bilo moguće sa tradicionalnim tehnikama.“
Naoružan ovim nivoom uvida bez presedana, Lai je rekao da veruje da oni mogu da dovedu do značajnog napretka u inženjerstvu elektrolita i, zauzvrat, da razviju poboljšane baterije koje će zahtevati buduća tehnologija zasnovana na čistoj energiji.
„Modernizacija elektrokapilarnosti predstavlja značajan iskorak u oblasti elektrohemije“, rekao je Lai. „Pružajući direktnu i preciznu metodu za proučavanje interfejsa elektroda – elektrolit, ova tehnika će omogućiti istraživačima da bolje razumeju i optimizuju kritične procese koji se dešavaju unutar baterija.
„Kako potražnja za baterijama visokih performansi nastavlja da raste, ovo istraživanje će igrati ključnu ulogu u pokretanju inovacija i poboljšanju rešenja za skladištenje energije budućnosti.“
