Litijum-jonske baterije (LiB) postale su najčešće korišćene punjive baterije širom sveta. Istraživači energije i naučnici o materijalima pokušavaju da identifikuju alternativne materijale koji bi mogli da posluže kao LIB komponente, što potencijalno dovodi do poboljšanja performansi i efikasnosti baterije bez značajnog povećanja troškova proizvodnje.
Do danas, grafit je bio najčešće korišćen anodni materijal za LiB, zbog svoje relativno niske cene, male težine i izdržljivosti. Poslednjih godina, međutim, studije su identifikovale obećavajuće alternative anodama na bazi grafita, od kojih su jedna anode za legiranje mikro veličine.
Anode za legiranje su zasnovane na metalnim legurama koje mogu da reaguju sa litijumom, kao što su silicijum (Si), kalaj (Sn) ili aluminijum (Al). Anode zasnovane na ovim legurama mogle bi da imaju značajne prednosti u odnosu na grafitne, uključujući nižu cenu i potencijal povećanja kapaciteta baterija.
Uprkos svojim potencijalnim prednostima, anode za legiranje mikro veličine su se do sada pokazale manje pouzdanim od grafitnih anoda. Jedan od razloga za to je taj što često rezultiraju brzim opadanjem kapaciteta i niskom kulombičkom efikasnošću, posebno kada se kombinuju sa elektrolitima na bazi karbonata.
Prethodne studije su otkrile da se međufaza čvrstog elektrolita (SEI), zaštitni sloj koji se formira na anodi tokom ciklusa baterije, previše snažno vezuje za legure. Ovo može dovesti do strukturnih pukotina i na SEI-u i na leguri kroz koje elektrolit može da prodre, formirajući nove SEI slojeve dok se baterija puni i prazni.
Rezultirajuća brza degradacija uočena u baterijama sa mikro-velikim legirajućim anodama do sada je ograničila njihovu široku upotrebu i komercijalizaciju.
U radu objavljenom u Nature Energy, istraživači sa Univerziteta Merilend i Univerziteta Rhode Island predstavili su novi asimetrični elektrolit koji bi mogao poboljšati performanse LiB-a sa anodama za legiranje mikro veličine.
„Upotreba legirajućih anoda nano veličine može da produži životni vek ćelijskog ciklusa, ali i da smanji rok trajanja baterije i poveća troškove proizvodnje“, napisali su Ai-Min Li, Zeii Vang i njihove kolege u svom radu.
„Značajno smo poboljšali performanse ciklusa mikro-velikih Si, Al, Sn i Bi anoda tako što smo razvili asimetrične elektrolite (jonske tečnosti bez rastvarača i molekularni rastvarač) da bi se formirao neorganski SEI bogat LiF, omogućavajući 90 mAh μSi||LiNi 0,8 Mn 0,1 Co 0,1 O 2 i 70 mAh Li 3,75 Si||SPAN kesice ćelije (površinski kapacitet od 4,5 mAh cm −2; N/P od 1,4) za postizanje >400 ciklusa sa zadržavanjem visokog kapaciteta od >85%.“
Istraživači su dizajnirali i sintetizovali novi elektrolit koji bi mogao da deluje povoljno kada se kombinuje sa legirajućim anodama mikro veličine i visokoenergetskim katodama. Ovaj elektrolit je zasnovan na N-metil-N (2-metoksietoksi) metil pirolidinijum heksafluorofosfatu, koji je skraćeno NMEP.
„Dizajn asimetričnog elektrolita formira međufaze bogate LiF-om koje omogućavaju anodama velikog kapaciteta i visokoenergetskim katodama da postignu dug životni vek ciklusa i pružaju opšte rešenje za visokoenergetske litijum-jonske baterije“, napisali su Li, Vang i njihove kolege.
Da bi procenio potencijal njihovog elektrolita, tim ga je testirao u velikim LiB ćelijama. Njihovi nalazi su bili veoma obećavajući, pošto su ćelije postigle visoke kapacitete iznad 140 mAh g-1 za 200 ciklusa, zadržavajući više od 85% svog kapaciteta nakon 400 ciklusa rada.
Novouvedeni asimetrični dizajn istraživača povećava kompatibilnost između LiPF 6 soli, ključne komponente LiBs, i dimetil etra (DME) sa niskim potencijalima redukcije, omogućavajući pouzdano formiranje LiF interfejsa na anodama od legure mikro veličine.
U budućnosti bi se mogao testirati na širem spektru baterija sa različitim anodnim i katodnim sastavima, potencijalno doprinoseći razvoju rešenja za baterije sledeće generacije.
