Ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης ανέπτυξε μια προηγμένη τεχνική που επιτρέπει, για πρώτη φορά, την καθαρή απεικόνιση ενός κρίσιμου, αλλά μέχρι σήμερα, «αόρατου» συστατικού μέσα στα ηλεκτρόδια των μπαταριών ιόντων λιθίου.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στις 17 Φεβρουαρίου στο Nature Communications, θα μπορούσαν να βελτιώσουν σημαντικά τόσο την ταχύτητα φόρτισης όσο και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών.
Η έρευνα εστιάζει στα πολυμερή συνδετικά υλικά που χρησιμοποιούνται στα αρνητικά ηλεκτρόδια (ανόδους) των μπαταριών. Τα, επίσης γνωστά ως, binders λειτουργούν σαν «κόλλα», συγκρατώντας τα ενεργά υλικά του ηλεκτροδίου. Αν και αποτελούν λιγότερο από το 5% του συνολικού βάρους του, επηρεάζουν καθοριστικά τη μηχανική αντοχή, την ηλεκτρική και ιοντική αγωγιμότητα, καθώς και τη σταθερότητα της μπαταρίας σε επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης.
Μέχρι σήμερα, η χαμηλή τους περιεκτικότητα και η έλλειψη διακριτών χαρακτηριστικών καθιστούσαν δύσκολη την ακριβή ανίχνευση και χαρτογράφησή τους μέσα στο ηλεκτρόδιο. Αυτό περιόριζε τις δυνατότητες βελτιστοποίησης της απόδοσης.
Μπαταρίες λιθίου: Νέα τεχνική «χρωματισμού» αποκαλύπτει τη νανοδομή
Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές ανέπτυξαν μια -υπό κατοχύρωση ευρεσιτεχνίας- μέθοδο χημικού «χρωματισμού», προσθέτοντας ανιχνεύσιμους δείκτες αργύρου και βρωμίου σε ευρέως χρησιμοποιούμενα binders με βάση την κυτταρίνη και το λάτεξ, σε ανόδους γραφίτη και πυριτίου.
Με τη βοήθεια φασματοσκοπίας ακτίνων Χ με διασπορά ενέργειας, και απεικόνισης ανακλώμενων ηλεκτρονίων, οι ερευνητές μπόρεσαν να δημιουργήσουν λεπτομερείς χάρτες της κατανομής των πολυμερών συνδετικών υλικών σε νανοκλίμακα. Η τεχνική επέτρεψε την ανίχνευση εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων καρβοξυμεθυλοκυτταρίνης (CMC) πάχους μόλις 10 νανομέτρων, καθώς και τη μελέτη δομών που εκτείνονται σε τέσσερις τάξεις μεγέθους μέσα σε μία μόνο εικόνα.
Μπαταρίες λιθίου: Μείωση αντίστασης έως 40%
Χρησιμοποιώντας το νέο εργαλείο απεικόνισης, η ομάδα διαπίστωσε ότι ακόμη και μικρές αλλαγές στη διαδικασία ανάμειξης και ξήρανσης των ηλεκτροδίων μπορούν να μειώσουν την εσωτερική ιοντική αντίσταση έως και 40%, παράγοντα-κλειδί για τη γρήγορη φόρτιση.
Οι εικόνες έδειξαν επίσης ότι ένα αρχικά ομοιόμορφο στρώμα binder μπορεί, κατά την επεξεργασία, να «σπάει» σε ανομοιόμορφα τμήματα, κάτι που ενδέχεται να επηρεάζει αρνητικά τη σταθερότητα και την απόδοση της μπαταρίας.
Η μέθοδος είναι συμβατή τόσο με τις σημερινές μπαταρίες γραφίτη όσο και με πιο προηγμένες τεχνολογίες που βασίζονται σε πυρίτιο ή SiOx, καθιστώντας τη χρήσιμη για τις μπαταρίες επόμενης γενιάς.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το πρόγραμμα Nextrode του Faraday Institution και έχει ήδη προσελκύσει το ενδιαφέρον μεγάλων κατασκευαστών μπαταριών και εταιρειών ηλεκτρικών οχημάτων.
Με πληροφορίες από University of Oxford, Science Daily
