Temperatura w walce z dendrytami

Fot. Pixabay, CC0

Akumulator litowo-jonowy jest coraz częściej wybierany do zastosowań związanych z magazynowaniem energii w pojazdach elektrycznych i sieciach elektroenergetycznych. Katodą w nim jest tlenek litu, natomiast anodą grafit. Wciąż jednak naukowcy szukają sposobów na zastąpienie grafitu litem metalicznym, co zwiększyłoby gęstość energii akumulatora, ponieważ gęstość upakowania atomów jest najwyższa w postaci metalicznej. Jednak w anodach z czystego litu w ramach powtarzających się cykli ładowania odkładają się dendryty.

Wydaje się, że problem znalazł swoje rozwiązanie. Zespół naukowców z Rensselaer Polytechnic Institute odkrył sposób wykorzystania wewnętrznego ciepła akumulatora do rozproszenia tych struktur w gładką warstwę. "Odkryliśmy, że dendryty litowe można wyleczyć in situ przez samonagrzewanie cząsteczek dendrytycznych" - powiedział Nikhil Koratkar, profesor inżynierii w Rensselaer i autor artykułu opisujące badanie.

Jak wygląda taki akumulator? Urządzenie składa się z dwóch elektrod - katody i anody. Pomiędzy nimi znajduje się izolująca membrana, która działa jak separator, aby zapobiec stykaniu się elektrod i zwarciu. Separator jest nasycony ciekłym elektrolitem, który pozwala na przenoszenie jonów tam i z powrotem między elektrodami.

Gdy naładowane dodatnio jony litu z anody są transportowane na katodę podczas rozładowywania, wytwarzana jest energia elektryczna. Kiedy bateria jest podłączona do gniazdka w celu doładowania, zachodzi proces odwrotny. Jak już zostało wspomniane, w wyniku wielokrotnego powtarzania takiego cyklu powstają kolczyste dendryty, które przenikają do separatora, mogąc wywołać zwarcie.

Żeby uniknąć tego problemu, stosuje się anody węglowe, zazwyczaj grafitowe, które izolują każdy atom litu. "Akumulatory litowo-jonowe z anodą węglową są najlepszą dostępną opcją, ale nie mogą dłużej nadążyć za zapotrzebowaniem na pojemność magazynową" - powiedział Koratkar. "Najlepszym rozwiązaniem byłby system litowo-metalowy. "

Zaproponowane przez naukowców rozwiązanie wykorzystuje wewnętrzne ogrzewanie rezystancyjne akumulatora, w którym materiał metaliczny opiera się przepływowi prądu i w rezultacie wytwarza ciepło. To "samonagrzewanie" odbywa się w procesie ładowania i rozładowywania.

Zwiększenie efektu poprzez zwiększenie gęstości prądu spowodowało rozległą dyfuzję powierzchni litu, rozprowadzając dendryty w równomierną warstwę. Po raz pierwszy zademonstrowano to wygładzanie („uzdrawianie") dendrytów w symetrycznej komórce litowo-litowej. Następnie pokazano proces z tymi samymi wynikami z użyciem baterii litowo-siarkowej.

"Magazynowanie energii o wysokiej gęstości pozostaje krytyczną przeszkodą między pozyskiwaniem jej ze źródeł odnawialnych a powszechnym wykorzystaniem we wszystkim, od pojazdów elektrycznych po domy zasilane energią słoneczną" - powiedział dziekan uczelni Shekhar Garde. "Wyniki z laboratorium prof. Koratkara pokazują, w jaki sposób można wykorzystać podstawowe rozumienie materiałów w nanoskali, aby nie tylko zwiększyć gęstość energii, ale także zwiększyć życie i bezpieczeństwo akumulatorów."

(KB)