Un nou studiu, lansat de cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Karlsruhe (KIT), deschide calea pentru optimizarea performanțelor și a duratei de viață a viitoarelor baterii.
De la smartphone-uri la mașini electrice – oriunde este nevoie de o sursă de energie mobilă, aproape întotdeauna o baterie litiu-ion este cea care își face treaba. O parte esențială a funcționării fiabile a acestei baterii și a altor baterii cu electrolit lichid este reprezentată de interfața electrolitului solid (SEI). Acest strat se formează atunci când se aplică tensiunea pentru prima dată. Electrolitul se descompune în imediata vecinătate a suprafeței.
Până în prezent, a rămas neclar modul în care particulele din electroliți formează un strat cu o grosime de până la 100 de nanometri pe suprafața electrodului, deoarece reacția de descompunere este posibilă doar la o distanță de câțiva nanometri de suprafață.
Stratul de pe suprafața anodului este esențial pentru capacitatea electrochimică și durata de viață a unei baterii litiu-ion, deoarece este foarte solicitat la fiecare ciclu de încărcare. Atunci când SEI se descompune în timpul acestui proces, electrolitul se descompune și mai mult, iar capacitatea bateriei se reduce – un proces care determină durata de viață a unei baterii.
Cu o cunoaștere corectă a creșterii și compoziției SEI, proprietățile unei baterii pot fi controlate. Însă, până în prezent, nicio abordare experimentală sau asistată de calculator nu a fost suficientă pentru a descifra procesele complexe de creștere a SEI, care au loc pe o scară foarte largă și în diferite dimensiuni.
Capcana maşinilor electrice. Asigurărilor şi bateriile, scumpiri semnificative
BATTERY 2030+. Ce au descoperit experții?
Cercetătorii de la Institutul de Nanotehnologie KIT (INT) au reușit acum să caracterizeze formarea SEI cu o abordare la mai multe scări.
„Acest lucru rezolvă unul dintre marile mistere în ceea ce privește o parte esențială a tuturor bateriilor cu electrolit lichid – în special a bateriilor litiu-ion pe care le folosim cu toții în fiecare zi”, spune profesorul Wolfgang Wenzel, director al grupului de cercetare „Multiscale Materials Modelling and Virtual Design” de la INT, care este implicat în inițiativa europeană de cercetare la scară largă BATTERY 2030+, care are ca scop dezvoltarea de baterii de înaltă performanță sigure, accesibile, durabile și de lungă durată pentru viitor.
Cercetătorii de la KIT își prezintă descoperirile în revista Advanced Energy Materials.
Peste 50.000 de simulări pentru diferite condiții de reacție
Pentru a examina creșterea și compoziția stratului de pasivare de la anodul bateriilor cu electrolit lichid, cercetătorii de la INT au generat un ansamblu de peste 50.000 de simulări reprezentând diferite condiții de reacție.
Aceștia au constatat că creșterea SEI organic urmează o cale mediată de soluție: În primul rând, precursorii SEI care se formează direct la suprafață se unesc departe de suprafața electrodului printr-un proces de nucleare.
O nouă tehnologie promite o viață mai lungă pentru bateriile de smartphone
Creșterea rapidă ulterioară a nucleilor duce la formarea unui strat poros care acoperă în cele din urmă suprafața electrodului. Aceste descoperiri oferă o soluție la situația paradoxală conform căreia constituenții SEI se pot forma numai în apropierea suprafeței, unde sunt disponibili electroni, dar creșterea lor s-ar opri odată ce această regiune îngustă este acoperită.
„Am reușit să identificăm parametrii cheie de reacție care determină grosimea SEI”, explică Dr. Saibal Jana, postdoctorand la INT și unul dintre autorii studiului.
„Acest lucru va permite dezvoltarea viitoare a electroliților și a aditivilor adecvați care controlează proprietățile SEI și optimizează performanța și durata de viață a bateriei.”
Descoperire ştiinţifică: Bateriile automobilelor electrice se vor încărca în 10 minute