Vedci z Rice University vytvorili nabíjateľnú lítiovú batériu s trojnásobnou kapacitou komerčných lítium-iónových batérií. Dosiahli to vyriešením problému, ktorý dlho trápil výskumníkov v tejto oblasti: problému dendritov.
Nová batéria obsahuje lítium v unikátnej anóde, v podobe hybridných grafénových a uhlíkových nanotrubičiek. Materiál, ktorý bol prvý krát vytvorený na Rice Uniersity (RU) v roku 2012, je v podstate trojrozmerný povrch uhlíka, ktorý poskytuje bohatú plochu pre prijatie lítia. Samotná anóda sa obsahom lítiového kovu blíži k teoretickému maximu, pričom bráni tvorbe poškodzujúcich dendritov alebo "machových" usadenín.
Batérie s dendritmi by mali nahradiť lítium-iónove batérie lítiovými kovovými batériami, ktoré vydržia dlhšie a nabíjajú sa rýchlejšie. Dendrity sú ložiská lítia, ktoré rastú do elektrolytu batérie. Ak prepoja anódu a katódu a vytvoria skrat, batéria môže zlyhať, vznietiť sa, alebo dokonca explodovať.
Výskumníci z RU vedený chemikom Jamesom Tourom zistili, že pri nabití nových batérií lítiové kovy rovnomerne pokrývajú vysoko vodivý uhlíkový hybrid, v ktorom sú nanorúrky kovalentne viazané na povrch grafénu. Ako autori výskumu uvádzaju v časopise American Chemical Society ACS Nano, hybrid nahrádza grafitové anódy v bežných lítium-iónových batériách, čo síce zníži kapacitu no zaistí bezpečnosť.
"Lítium-iónové batérie bezpochyby zmenili svet", hovorí Tour, "ale sú už také dobré, ako sa len dá. Batérie mobilných telefónov už nebudú mať lepšiu výdrž, kým sa neobjaví nová technológia". Tvrdí, že nový anódový nanotrubkový "les" s nízkou hustotou a vysokou povrchovou plochou má dostatok priestoru na to, aby doň čiastočky lítia mohli vkĺznuť pri nabíjaní a vystúpiť pri vybíjani batérie. Lítium je rovnomerne rozložené, rozširuje prúd prenášaný iónmi v elektrolyte a potláča rast dendritov.
Napriek tomu, že kapacita prototypu batérie je obmedzená katódou, materiál anódy dosahuje úložnú kapacitu lítia 3 351 miliampér hodín na gram, čo je takmer teoretické maximum a 10-násobok lítium-iónových batérií. Kvôli nízkej hustote nanotrúbkového koberca, schopnosť lítia pokryť celú cestu až k substrátu zaručuje maximálne využitie dostupného objemu.
Výskumníci dosiahli prielom v roku 2014, keď druhý autor výskumu Abdul-Rahman Raji, bývalý študent v Tour's laboratóriu a teraz postdoctorálny výskumník na Cambridgiskej univerzite, začal experimentovať s lítiovým kovom a grafénovými hybridnými nanotrúbkami.
Uhlíkové nanorúrky kovalentne viazané na povrch grafénovho substrátu.
"Pri analýze výsledkov pokusov zameraných na ukladanie lítiových iónov v anódovom materiáli v kombinácii s oxidom lítiového kobaltu som uvažoval, že lítiový kov musí byť umiestnený na elektróde", povedal Raji. "Boli sme nadšení, pretože napäťový profil plnej bunky bol veľmi plochý. V tom momente sme vedeli, že sme našli niečo dôležité".
V priebehu týždňa Raji a spoluautor výskumu Rodrigo Villegas Salvatierra, postdoktorandský výskumník z RU, dokázali uložiť lítiový kov do samostatnej hybridnej anódy, aby sa naň mohli podrobnejšie pozrieť mikroskopom. "Boli sme ohromení, keď sme nenašli žiadne veľké dendrity a zvyšok je história", povedal Raji.
Na testovanie anódy RU postavila batérie s katódami na báze síry, ktoré si zachovali 80% kapacitu po viac ako 500 cykloch nabíjania, čo je približne rovné 2 rokom používania mobilného telefónu bežným používateľom. Obrázky anód z elektrónového mikroskopu po testovaní nevykazovali žiadne známky dendritov alebo machovitých štruktúr, ktoré boli pozorované na plochých anódach. Voľným okom, anódy v štvrťročných batériách boli tmavé, keď boli bez lítiového kovu a strieborné, keď boli s lítiom.
"Mnoho ľudí, ktorí robia výskum batérii, robia len anódu, pretože robiť celý balík je oveľa ťažšie", povedal Tour. "Museli sme vyvinúť primeranú katódovú technológiu založenú na síre, aby sme vyhoveli týmto ultravysoko-kapacitným lítiovým anódam v systémoch prvej generácie. Vyrábame celé batérie, katódu a anódu vyrábame na pilotnej škále a začíname ich testovanie".
Spoluautormi tohto výskumu sú postdoktorandský výskumník Rice Nam Dong Kim, hosťujúce výskumníčky Xiujun Fan a Junwei Sha a absolventi Yilun Li a Gladys López-Silva. Prehliadka je T.T. a W.F. Chao, ako aj profesorka informatiky a materiálovej vedy a nanotechnológie na RU.
Zdroj: news.rice.edu
Pavol Filek
avixe
dezyder
Pjetro de