Ličio baterijos, įkraunamos per kelias sekundes

Du mokslininkai sukūrė tokius energijos elementus, kurie gali būti įkraunami greičiau, nei trunka perskaityti du pirmuosius šio straipsnio sakinius. Jų mokslinis darbas gali suteikti galimybę gaminti ultra-greitai įkraunamus energijos šaltinius viskam - nuo nešiojamųjų kompiuterių iki elektromobilių, rašo www.nature.com.

Masačūsetso technologijų instituto (JAV) mokslininkai Byoungwoo Kangas ir Gerbrandas Cederis atrado būdą priversti ganėtinai įprastą ličio junginį atpalaiduoti ir sujungti ličio jonus labai dideliu greičiu. Junginys, kuris jau dabar naudojamas kai kurių ličio jonų baterijų elektroduose, gali suteikti galimybę nešiojamųjų kompiuterių akumuliatorius įkrauti maždaug per minutę. Mokslinis darbas aprašytas leidinyje „Nature“.

Ličio jonų baterijos telefonuose, kompiuteriuose, hibridiniuose automobiliuose ir daugybėje kitų įrenginių šiais laikais nieko nestebina. „Iš esmės tai yra įrenginiai, kurie varinėja ličio jonus tarp elektrodų“, sako G.Cederis.

Baterijos elektros srovę generuoja tuomet, kai ličio jonai per elektrolitą teka iš juos sukaupusio elektrodo ir cheminiu būdu yra sujungiami su priešingoje pusėje esančiu elektrodu – katodu. Norint įkrauti bateriją, vykdomas atvirkštinis procesas: ličio jonai atitraukiami nuo katodo ir gabenami atgal į saugojimo vietą, anodą.

Greitis, kuriuo baterija gali būti įkrauta, yra ribojamas elektrodų ir jonų judėjimo per elektrodus greičio. Mokslininkai šį greitį gerokai padidino gamindami elektrodus iš nanodalelių sankaupų, tokiu būdu keičiant elektrodų paviršiaus struktūrą, o taip pat pridedant įvairių priedų – tokių, kaip anglis. Tačiau daugelio ličio jonų baterijų įkrovimas vis vien trunka kelias valandas. Taip iš dalies yra dėl to, kad ličio jonai, atskirti nuo katodo, labai nenoriai pereina į elektrolitą.

Iš pradžių atrodė, kad niekuo neišsiskiria ir ličio geležies fosfatas (LiFePO₄) – medžiaga, kuri kaip katodas yra naudojama kai kuriose baterijose. Tačiau kai G.Cederis ir B.Kangas atliko tam tikrus skaičiavimus, paaiškėjo, kad junginys bent jau teoriškai galėtų pasižymėti kur kas geresnėmis savybėmis. Jo kristalinė struktūra sudaro „tunelius, kurių dydis yra idealus ličiui praeiti“, - sakė G.Cederis. „Išsiaiškinome, kad galima būtų pasiekti neįtikėtinai didelį įkrovimo greitį“.

Taigi, kodėl niekas tokio milžiniško įkrovimo greičio nestebėjo praktiškai? G.Cederis ir B.Kangas mano, kad ličio jonams sunku prasibrauti iki kristalinės struktūros greitųjų tunelių. Mokslininkai padėjo jonams katodo paviršių padengdami plonu ličio fosfato stiklo sluoksniu, kuris, kaip žinoma, yra puikus ličio laidininkas. Išbandant naujai padengtą elektrodą paaiškėjo, kad jį galima įkrauti ir iškrauti vos per 9 sekundes.

„Kiek man žinoma, tai yra didžiausias su šia medžiaga pasiektas greitis“, - komentavo St Andrews universiteto (Jungtinė Karalystė) chemikas Peteris Bruce‘as. Mokslininkai negali pasakyti kokiu būtent būdu netvarkingos struktūros stiklas padeda ličio jonams keliauti tarp elektrolito ir katodo.

Panašus įkrovimo greitis buvo pasiektas ir su kitomis medžiagomis – pavyzdžiui, nikelio oksidu, sako Southampton universiteto (JK) chemikas Johnas Owenas. „Tai yra gražus idėjos pademonstravimas ličio sistemoje“, sakė J.Owenas. Tačiau litis, lyginant su nikelio junginiais, yra pranašesnis, nes jis yra lengvesnis ir geriau išlaiko krūvį.

Idėja yra ypač svarbi dėl to, kad ličio geležies fosfatas jau dabar yra pramoniniu būdu naudojamas baterijoms gaminti, pridūrė P.Bruce‘as. Ličio jonų judėjimo pagreitinimas gali gerokai pagerinti energijos kaupimą hibridiniuose automobiliuose, kurių baterijos įsikrauna automobiliui stabdant – o šis procesas tetrunka vos kelias minutes. Be to, ateityje naudojant tokias baterija galima būtų kurti visiškai elektrines transporto priemones, kurias galima būtų įkrauti santykinai greitai.

G.Cederis teigia, kad, jo manymu, modeliavimo pažanga padės mokslininkams ieškoti ir kitų kandidatų ultra-greitoms baterijoms gaminti. „Spėju, kad galima būtų atrasti ir daugiau tokių medžiagų“, - sako mokslininkas.