Naukowcy odkryli podstawowy mechanizm degradacji akumulatorów, który może zrewolucjonizować konstrukcję akumulatorów litowo-jonowych, zwiększając zasięg i żywotność pojazdów elektrycznych (EV) oraz udoskonalając rozwiązania w zakresie magazynowania czystej energii.
W badaniu wykazano, w jaki sposób cząsteczki wodoru zakłócają działanie jonów litu w akumulatorze, dostarczając wiedzy, która może pomóc w opracowaniu bardziej zrównoważonej i opłacalnej technologii akumulatorów.
Odkrywanie mechanizmu starzenia się baterii
Baterie tracą z czasem pojemność, dlatego starsze telefony komórkowe szybciej się rozładowują. To powszechne zjawisko nie jest jednak w pełni zrozumiałe.
Teraz międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez inżyniera z Uniwersytetu Colorado w Boulder, odkrył mechanizm leżący u podstaw takiej degradacji baterii. Ich odkrycie może pomóc naukowcom w opracowaniu lepszych akumulatorów, które pozwolą pojazdom elektrycznym jeździć dalej i dłużej, a jednocześnie udoskonalą technologie magazynowania energii, które przyspieszą przejście na czystą energię.
Wyniki opublikowano dzisiaj (12 września) w czasopiśmie Nauka.
Konsekwencje dla energii odnawialnej i pojazdów elektrycznych
„Pomagamy udoskonalać akumulatory litowo-jonowe, badając procesy na poziomie molekularnym prowadzące do ich degradacji” – powiedział Michael Toney, autor korespondent artykułu i profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biologicznej. „Posiadanie lepszych akumulatorów jest bardzo ważne w procesie przenoszenia naszej infrastruktury energetycznej z paliw kopalnych na rzecz bardziej odnawialnych źródeł energii”.
Inżynierowie od lat pracowali nad zaprojektowaniem akumulatorów litowo-jonowych – najpopularniejszego typu akumulatorów – bez kobaltu. Kobalt jest drogim, rzadkim minerałem, a proces jego wydobycia wiąże się z poważnymi obawami dotyczącymi środowiska i praw człowieka. W Demokratycznej Republice Konga, która dostarcza ponad połowę światowych zasobów kobaltu, wielu górników to dzieci.
Do tej pory naukowcy próbowali wykorzystać inne pierwiastki, takie jak nikiel i magnez, do zastąpienia kobaltu w akumulatorach litowo-jonowych. Jednak akumulatory te charakteryzują się jeszcze większym stopniem samorozładowania, czyli gdy wewnętrzne reakcje chemiczne akumulatora zmniejszają zmagazynowaną energię i z czasem zmniejszają jego pojemność. Ze względu na samorozładowanie żywotność większości akumulatorów pojazdów elektrycznych wynosi od 7 do 10 lat, po czym konieczna jest ich wymiana.
Badanie samorozładowania akumulatorów
Toney, który jest także członkiem Instytutu Energii Odnawialnej i Zrównoważonej, wraz ze swoim zespołem postanowił zbadać przyczynę samorozładowania. W typowym akumulatorze litowo-jonowym jony litu przenoszące ładunki przemieszczają się z jednej strony akumulatora, zwanej anodą, na drugą, zwaną katodą, poprzez ośrodek zwany elektrolitem. Podczas tego procesu przepływ naładowanych jonów tworzy prąd elektryczny, który zasila urządzenia elektroniczne. Ładowanie akumulatora odwraca przepływ naładowanych jonów i zawraca je do anody.
Wcześniej naukowcy uważali, że akumulatory ulegają samorozładowaniu, ponieważ nie wszystkie jony litu wracają do anody podczas ładowania, co zmniejsza liczbę naładowanych jonów dostępnych do wytworzenia prądu i zapewnienia mocy.
Korzystając z zaawansowanego źródła fotonów, potężnego aparatu rentgenowskiego, w Narodowym Laboratorium Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Illinois, zespół badawczy odkrył, że cząsteczki wodoru z elektrolitu akumulatora przemieszczają się do katody i zajmują miejsca, z którymi normalnie wiążą się jony litu. . W rezultacie jony litu mają mniej miejsc do wiązania na katodzie, co osłabia prąd elektryczny i zmniejsza pojemność akumulatora.
Droga przed akumulatorami pojazdów elektrycznych
Transport jest największym źródłem gazów cieplarnianych wytwarzanych w USA i odpowiada za 28% emisji tego kraju w 2021 r. Starając się ograniczyć emisję, wielu producentów samochodów zobowiązało się do odchodzenia od rozwoju samochodów benzynowych na rzecz produkcji większej liczby pojazdów elektrycznych. Jednak producenci pojazdów elektrycznych stoją przed szeregiem wyzwań, w tym ograniczonym zasięgiem, wyższymi kosztami produkcji i krótszą żywotnością akumulatorów w porównaniu z pojazdami konwencjonalnymi. Na rynku amerykańskim typowy samochód w pełni elektryczny może przejechać około 400 km na jednym ładowaniu, czyli około 60% tego, co samochód benzynowy. Toney stwierdziła, że nowe badanie może rozwiązać wszystkie te problemy.
„Wszyscy konsumenci chcą samochodów o dużym zasięgu. Niektóre z tych akumulatorów o niskiej zawartości kobaltu mogą potencjalnie zapewnić większy zasięg, ale musimy się także upewnić, że nie rozpadną się w krótkim czasie” – powiedział, zauważając, że ograniczenie poziomu kobaltu może również obniżyć koszty i rozwiązać problem obawy związane z prawami człowieka i sprawiedliwością energetyczną.
Strategie wydłużania żywotności baterii
Dzięki lepszemu zrozumieniu mechanizmu samorozładowania inżynierowie mogą zbadać kilka sposobów zapobiegania temu procesowi, na przykład powlekając katodę specjalnym materiałem blokującym cząsteczki wodoru lub stosując inny elektrolit.
„Teraz, gdy rozumiemy, co powoduje degradację akumulatorów, możemy poinformować społeczność zajmującą się chemią akumulatorów, co należy ulepszyć podczas projektowania akumulatorów” – powiedział Toney.
Odniesienie: „Uwodornienie tlenku za pośrednictwem rozpuszczalnika w katodach warstwowych” 12 września 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.adg4687
