Nova vrsta anode na bazi olova koristit će se u sljedećoj generaciji litijevih baterija

Litij-ionske baterije osiguravaju napajanje za sve uređaje, od pametnih telefona preko prijenosnih računala do električnih vozila. Znanstvenici diljem svijeta tragaju za novim i poboljšanim komponentama za proizvodnju boljih baterija za ove i druge primjene.

Znanstvenici iz Nacionalnog laboratorija Argonne američkog Ministarstva energetike (DOE) izvijestili su o novoj elektrodi dizajniranoj za litij-ionske baterije koja koristi jeftine materijale poput olova i ugljika. Ovom važnom otkriću pridonijeli su i znanstvenici sa Sveučilišta Northwestern, Nacionalnog laboratorija Brookhaven i Nacionalnog instituta za znanost i tehnologiju Ulsan (UNIST).

Eungje Lee, glavni autor i znanstvenik za materijale za kemijsku znanost i inženjerstvo (CSE) na Sveučilištu Argonne, izjavio je: "Naše istraživanje ima uzbudljive implikacije za dizajniranje jeftinih, visokoučinkovitih i održivih litij-ionskih baterija koje mogu osigurati energiju za hibridne i sva električna vozila.".

Princip rada litij-ionskih baterija je umetanje litijevih iona u anodu tijekom punjenja i uklanjanje tijekom pražnjenja. Sadašnja grafitna anoda može proći tisuće takvih ciklusa pražnjenja, ali čini se da je dosegla svoju granicu u pogledu kapaciteta za pohranu energije.

Lee je rekao: "Odlučili smo proučavati olovo kao zamjenu za grafit kao anodni materijal. Olovo je posebno privlačno jer je i jeftino i jeftino. Osim toga, zbog duge povijesti olovnih baterija koje osiguravaju pomoćnu energiju za automobile , ima potpun opskrbni lanac i jedan je od materijala koji se najviše recikliraju u Sjedinjenim Državama, trenutna stopa oporabe olova je 99%.".

Li je dodao: "Naša nova anoda može pružiti novi izvor prihoda za veliku industriju koja se trenutno bavi proizvodnjom i recikliranjem olovnih baterija."

Anoda tima nije obična olovna ploča, već bezbrojne mikroskopske čestice složene strukture: nanočestice olova ugrađene u ugljikovu matricu i okružene tankom ljuskom olovnog oksida. Iako ova struktura zvuči složeno, tim je izumio jednostavnu, jeftinu metodu proizvodnje.

"Naša metoda uključuje miješanje velikih čestica olovnog oksida s ugljičnim prahom i osciliranje nekoliko sati dok se ne formiraju mikroskopske čestice sa željenom strukturom jezgre i ljuske", objasnio je Christopher Johnson, glavni istraživač projekta i izvanredni istraživač u Argonneu, CSE.

Ispitivanja provedena u laboratorijskim baterijama s više od 100 ciklusa punjenja i pražnjenja pokazala su da je kapacitet skladištenja energije nove nanokompozitne anode na bazi olova dvostruko veći od trenutne grafitne anode (standardizirane za istu težinu). Moguće su stabilne performanse tijekom procesa ciklusa, budući da male veličine čestica mogu ublažiti stres, dok ugljična matrica osigurava potrebnu vodljivost i djeluje kao tampon za sprječavanje oštećenja ekspanzije volumena tijekom procesa ciklusa. Istraživački tim također je otkrio da dodavanje male količine fluoroetil karbonata standardnom elektrolitu značajno poboljšava performanse.

Istraživači su proučavali mehanizme punjenja i pražnjenja anode u GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS) kojim upravlja Sveučilište u Chicagu, smješteno u Argoni, DOE Science User Facility Office. Putem sinkrotronske difrakcije X-zraka, oni mogu pratiti fazni prijelaz materijala negativne elektrode tijekom punjenja i pražnjenja. Ovi rezultati karakterizacije, u kombinaciji s rezultatima koje je prikupio Atomic and Nanoscale Characterization Center of Northwestern University i DOE User Facility National Synchrotron Light Source II u Brookhavenu, otkrivaju elektrokemijske reakcije koje se događaju između iona olova i litija tijekom punjenja i pražnjenja, a koje su dosad nepoznat.

Lee je rekao: "Ovaj bi temeljni uvid mogao biti važan za razumijevanje mehanizma reakcije između olovnih i silicijskih anoda."

Silikonska anoda još je jedan jeftin izbor s visokim učinkom za sljedeću generaciju litij-ionskih baterija.

Johnson je rekao: "Naše otkriće izaziva trenutno razumijevanje ovog materijala elektrode." Naše otkriće također pruža uzbudljive implikacije za dizajniranje jeftinih, visokoučinkovitih anodnih materijala za transport i fiksno skladištenje energije, kao što su rezervni izvori energije za električnu mrežu. "

Rad tima objavljen je u nedavno objavljenim Advanced Functional Materials.