Od notebooků po smartphony až po rozvíjející se průmysl elektrických automobilů se náš svět stále více spoléhá na dobíjecí baterie. Ale jak ví kdokoli, kdo vlastní notebook déle než několik let, baterie nakonec ztratí schopnost držet plný náboj.
Vědci nikdy nepochopili, proč k tomu dochází, a proto je obtížné to opravit. Ale podle několika nedávných studií vědců z amerického ministerstva energetiky, zveřejněných v časopise Nature Communications, můžeme být blíž než kdy dříve k baterii, která se nerozkládá.
Při práci s lithium-iontovými bateriemi, které se běžně používají ve spotřebních zařízeních kvůli jejich nízké hmotnosti a vysoké kapacitě, vědci zmapovali proces nabíjení a vybíjení až na miliardty metru, aby lépe porozuměli tomu, jak degradace funguje. Objevili dva viníky v degradaci baterií. První: mikroskopické zranitelnosti ve struktuře materiálu baterie vedou lithiové ionty náhodně skrz buňku, erodují baterii zdánlivě náhodným způsobem, podobně jako rez se šíří přes nedokonalosti v oceli. Ve druhé studii zaměřené na nalezení nejlepší rovnováhy mezi napětím, úložnou kapacitou a maximálním nabíjecím cyklem vědci nejen našli podobné problémy s tokem iontů, ale také malé akumulace krystalů v nano měřítku, které zůstaly po chemických reakcích, které způsobují tok iontů, aby se po každém nabití stal ještě nepravidelnějším. Provoz baterií při vyšším napětí také vedlo k více nepravidelnostem iontové dráhy, a tím k rychlejšímu zhoršování stavu baterie.
Související obsah
- Elektrická auta mohou města ochladit
Vypadá to, že vědci měli plně rozumět baterii - technologii, která byla účinně kolem roku 1800 - před desítkami let. Ale Huolin Xin, vědec z materiálů v Brookhaven Lab a spoluautor obou studií, říká, že vítězná kombinace nových technologií byla k dispozici teprve nedávno.
"Mnoho nejmodernějších charakterizačních nástrojů, jako jsou elektronové mikroskopy s korekcí aberací a nové synchrotronové rentgenové techniky, nebyly k dispozici před 10 lety, " říká Xin. Nyní však říká, že je lze použít při studiu lithium-iontových baterií.
Nová data dávají vědcům jasnější představu o tom, jak tyto baterie fungují, což by mohlo vést k dlouhodobějším bateriím ve spotřební elektronice v nepříliš vzdálené budoucnosti. Představuje však také nové problémy. Xin říká, že maximalizace povrchové plochy je důležitá pro výkon baterie, ale větší povrchová plocha pravděpodobně také usnadní degradaci.
"Abychom předešli [degradaci povrchu], můžeme katodu buď opatřit ochrannou vrstvou, " říká Xin, „nebo tyto povrchy skrýt vytvořením hranic uvnitř prášků o velikosti mikronů [uvnitř buňky]."
Nalezení nejúčinnějších a nákladově nejefektivnějších způsobů, jak toho dosáhnout, bude součástí budoucí fáze výzkumu.
Daniel Abraham, vědec zaměřený na výzkum lithium-iontových baterií v Argonne National Laboratory mimo Chicago, je však skeptický, že nové studie představují skutečný průlom. Říká, že mapování práce s podobnými materiály bylo provedeno v minulosti, mimo jiné i jeho týmem asi před 12 lety. Rovněž věří, že může dojít k více degradaci baterií, než jaké zjistily nové studie.
"Snaží se vytvořit korelaci mezi poklesem výkonu a obrázky, které vidí, což nemusí být správné, " říká Abraham. "Je to částečně příběh, ale nemyslím si, že je to celý příběh."
Xin, je optimističtější, že práce povede k vylepšení baterie, a to nejen pro budoucí elektrická vozidla, ale také pro přenosnou elektroniku.
„Lithium-nikl-mangan-kobalt-oxidová katoda byla nedávno identifikována jako jediný komerčně životaschopný materiál pro lithium-iontové baterie příští generace, “ říká Xin. "Vyřešením problému s degradací můžeme baterie nové generace zmenšit a spolehlivě je nabíjet a vybíjet."
Oba odborníci na baterie se nicméně shodují v tom, že pro mnoho důležitých budoucích aplikací je nalezení způsobu, jak vyrobit baterie, které se tak rychle nevybijí, stejně důležité jako vytváření baterií, které mají větší kapacitu.
Xin poukazuje na to, že kupující elektrických automobilů se po skončení záruky oprávněně obávají selhání baterie. Abraham poznamenává, že i když pravděpodobně potřebujete pouze pár let výkonu z baterie smartphonu nebo tabletu, u elektrických vozidel většina majitelů hledá baterii, která vydrží 10 až 15 let. A pro použití v elektrické síti (pro ukládání přebytečné energie vyrobené mimo špičku) by baterie měly vydržet 30 a více let.
Díky tomu je stavba lepší baterie pro váš laptop mnohem snazší než řešení problémů s dlouhou životností v jiných oblastech.
"Je dobré mít vyšší hustotu energie, ale pokud máte vysokou hustotu energie, ale ne dlouhou životnost, pak se obchodní životaschopnost těchto technologií zpochybňuje, " říká Abraham. "Vzhledem k tomu, že pokud dokážete, že máte novou technologii a že může trvat dva až 30 let, stane se to okamžitě komerčně životaschopným."
I když práce Xina a jeho kolegů může pomoci vědcům vytvořit baterie, které se nerozkládají tak rychle, je zřejmé, že bude zapotřebí dalších průlomů, než uvidíme dobíjecí baterie, které vydrží deset a více let bez vážného opotřebení.
