PSI izstrādā zemas temperatūras metodi elektrolītu blīvuma palielināšanai un ilgstošas darbības cietvielu litija-metāla bateriju stabilizēšanai. Baterija, kas ātri uzlādējas, uzglabā vairāk enerģijas un saglabā drošību zem spiediena, ir kļuvusi par sava veida mūsdienu solījumu. Tā parādās elektromobiļu reklāmās, jaunu ierīču prezentācijās un plānos stiprināt enerģētikas tīklus ar atjaunojamajiem energoresursiem. Taču aiz šī solījuma slēpjas ļoti reālas barjeras, kas nav redzamas ar neapbruņotu aci. No Paula Šerera institūta (PSI) Šveicē pētnieku komanda norāda, ka viens no grūtākajiem šķēršļiem beidzot sāk mazināties. Grupa ir izstrādājusi ražošanas metodi, kas risina divas no lielākajām litija metāla cietvielu bateriju Achilleja papēžiem: litija dendrītu veidošanos, kas var izraisīt iekšējos īssavienojumus, un litija un cietā elektrolīta saskares vietas trauslumu, kas ir kritiska zona, kura parasti pasliktinās ātrās uzlādes ciklu laikā. Ideja būtībā ir diezgan vienkārša. Mērķis ir izstrādāt bateriju, kas turpina darboties pēc tūkstošiem ciklu un kas nesabojājas katru reizi, kad tai tiek pieprasīta jauda. Interesanti ir tas, kā to sasniegt, solis pa solim, materiāls pēc materiāla.
Kāpēc cietvielu baterijas rada tik lielas cerības
Lielākā daļa pašreizējo bateriju ir atkarīgas no šķidra elektrolīta, kas ļauj litija joniem pārvietoties starp elektrodiem. Tas darbojas, bet tam ir sava cena: šķidrumi ir uzliesmojoši un liek pievienot drošības slāņus, kas palielina svaru un sarežģītību.
Pilnībā cietās baterijas izslēdz šo komponentu. Teorētiski tas padara tās drošākas, kompaktiākas un ar lielāku enerģijas blīvumu. Tāpēc tās parādās elektromobiļu ražotāju, stacionāro uzglabāšanas uzņēmumu un portatīvo elektronisko ierīču izstrādātāju plānos. Lielāka autonomija, ilgāks kalpošanas laiks, mazāks risks.
Problēma ir tā, ka ķīmija ne vienmēr atbilst ambīcijām. Gandrīz visās laboratorijās atkārtojas divi šķēršļi. No vienas puses, dendrīti, tās ir mikroskopiskas adatu formas struktūras, kas var šķērsot elektrolītu un savienot anodu un katodu, izraisot kļūdas. No otras puses, nestabilitāte robežā starp litija metālu un cietu materiālu, zona, kurā notiek nevēlamas reakcijas, kas laika gaitā samazina veiktspēju.
Elektrolīts izstrādes centrā
Darba pamatā ir cietais argirodīta tipa elektrolīts Li₆PS₅Cl, pazīstams kā LPSCl. Tas ir materiāls, kura pamatā ir litijs, fosfors un sērs, un kas izceļas ar augstu jonu vadītspēju. Praktiski tas ļauj litija joniem ātri pārvietoties, kas ir būtiski ātrai uzlādēšanai un augstai jaudai.
Izaicinājums ir tā fiziskā struktūra. Ja elektrolīts ražošanas procesā paliek pilns ar mikrocaurumiem vai porainām zonām, šie defekti kļūst par dendrītu ceļiem. Tradicionāli ir izmantotas divas metodes, lai to sablīvētu: spēcīga presēšana istabas temperatūrā vai klasiskā sinterizācija temperatūrā virs 400 °C. Neviena no tām nav ideāla. Pirmā metode atstāj poras, bet otrā var ķīmiski sabojāt materiālu.
Maigāka siltuma, blīvāka struktūra
Risinājums tika atrasts, izmantojot tā saucamo maigo sinterizāciju. Tā vietā, lai izmantotu augstas temperatūras, elektrolīts tiek saspiests apmēram 80 °C temperatūrā, izmantojot mērenu spiedienu. Tas ir tehnisks sīkums, kam ir milzīgas sekas.
Šādā temperatūrā daļiņas var pārkārtoties, labāk savstarpēji savienoties un aizpildīt iekšējās tukšās vietas, nemainot materiāla ķīmisko sastāvu. Rezultāts ir blīvāka, viendabīgāka struktūra, kas ir mazāk jutīga pret dendrītu izplatīšanos. Tajā pašā laikā tiek saglabāta laba jonu vadītspēja, kas ir būtiska, lai baterija nezaudētu savu veiktspēju.
Bet pat ar kompakto elektrolītu saskare ar litiju joprojām bija vājā vieta. Tāpēc tika pievienota otrā aizsargslāņa kārta.
65 nanometru biezs vairogs saskarnē
Uz metāliskā litija pētnieki uzklāja ultraplānu litija fluorīda (LiF) plēvi, kas bija tikai 65 nanometrus bieza. Tā tiek uzklāta, iztvaicējot vakuumā, radot vienmērīgu, gandrīz neredzamu pārklājumu.
Šim slānim ir divas svarīgas funkcijas. Pirmkārt, tas samazina elektrolīta ķīmisko degradāciju, kad tas nonāk saskarē ar litiju, novēršot reakcijas, kas rada “mirušu” litiju, t. i., materiālu, kas vairs nepiedalās enerģijas uzglabāšanā. Otrkārt, tas darbojas kā fiziska barjera pret dendrītiem, apgrūtinot to iekļūšanu elektrolītā.
Tas nav absolūts aizsardzības slānis, bet ir efektīvs bremzes līdzeklis. Kombinācijā ar blīvo elektrolīta struktūru tas maina spēles noteikumus.
Pogu tipa elementi, kas turpina darboties un darboties
Testi tika veikti ar pogu tipa elementiem, kas ir standarta formāts laboratorijā. Sarežģītos apstākļos rezultāti bija pārsteidzoši. Pēc 1500 uzlādes un izlādes cikliem baterijas saglabāja apmēram 75 % no sākotnējās jaudas.
Praktiski tas nozīmē, ka pat pēc intensīvas lietošanas trīs ceturtdaļas litija jonu joprojām kustas, kā paredzēts. Tas nav vienreizējs prototips, kas labi darbojas vienu nedēļu. Tas ir ilgtermiņa stabilitātes pierādījums.
Pats pētnieks uzsver, ka svarīgs ir ne tikai skaitlis, bet arī veids, kā to sasniegt. Elektrolīta blīvums un saskarnes stabilitāte viens otru papildina. Tas nav divu atsevišķu problēmu risinājums, bet gan sistēmas izstrāde, kurā viena aizsargā otru.
Pētījuma praktiskā nozīme
Šai pieejai ir skaidra nozīme reālajā dzīvē. Iespēja drošāk izmantot litija metāla anodus paver ceļu uz baterijām ar lielāku enerģijas blīvumu. Elektromobilitātes jomā tas nozīmē lielāku nobraukumu ar vienu uzlādi vai, ja vēlaties, mazākas baterijas ar tādu pašu autonomiju.
Stacionārā uzglabāšanā, īpaši sistēmās, kas atbalsta saules un vēja enerģiju, ilgāks kalpošanas laiks samazina izmaksas un atkritumus ilgtermiņā. Mazāk nomainīšanas, mazāk ieguves materiālu, mazāka kopējā ietekme.
Ir arī viens sīkums, kas parasti paliek nepamanīts: ražošana. Darbs 80 °C temperatūrā, nevis virs 400 °C, nozīmē mazāku enerģijas patēriņu ražošanā. Rūpnieciskā mērogā šī atšķirība nozīmē mazākas netiešās emisijas, kas saistītas ar katru ražoto bateriju.
Turklāt šī metode nav ierobežota tikai ar LPSCl. Mīkstās sablīvēšanas un aizsargslāņu kombināciju var izmēģināt ar citiem elektrolītiem un pārklājumiem. Tas ir sava veida darba ietvars, kas ļauj dažādām komandām salīdzināt materiālus un paātrināt attīstību, neuzsākot katru reizi no nulles.
Potenciāls
Šī tehnoloģija vērsta uz scenāriju, kurā baterijas ne tikai uzkrāj tīru enerģiju, bet arī tiek ražotas un izmantotas atbildīgāk. Īstermiņā tā var atbalstīt pilsētu elektriskos autoparkus, kam nepieciešama ātra uzlāde un augsta uzticamība. Vidējā termiņā — rezerves sistēmas atjaunojamo energoresursu tīkliem lauku apgabalos vai enerģētikas salās.
Ilgtermiņā lielākas blīvuma, drošības un mazākas ietekmes uz ražošanu kombinācija var palīdzēt noslēgt vienu no lielākajiem enerģētikas pārejas neizpildītajiem uzdevumiem: ne tikai ražot elektrību bez emisijām, bet arī uzglabāt to ierīcēs, kas patiesi ievēro planētas robežas. Šeit nav nekādas maģijas. Ir ķīmija, inženierija un vienkārša ideja, kas atkārtojas kā mantra: panākt, lai katra baterija kalpotu nedaudz ilgāk, patērētu nedaudz mazāk un atstātu nedaudz mazāku ietekmi uz vidi.
