Tai gali pakeisti automobilių rinką: rado būdą, kaip elektromobilių baterijos galėtų tarnauti daug ilgiau

Nors šių rišiklių mase sudaro mažiau nei penkis procentus elektrodo sudėties ir jie neturi aiškių struktūrinių ypatybių, jie atlieka itin svarbų vaidmenį – sutvirtina elektrodą. Galimybė juos tiksliai identifikuoti leidžia optimizuoti jų veikimą ir taip pagerinti visos baterijos charakteristikas.

Ličio jonų baterijos pasižymi didžiausia iki šiol sukurtų energijos kaupimo technologijų energijos talpa. Dėl jų kompaktiškumo ir didelės energijos kaupimo galios tapo įmanoma sukurti tokius įrenginius kaip išmanieji telefonai ar elektromobiliai.

Vis dėlto mokslininkai ir toliau ieško būdų, kaip dar labiau pagerinti šių baterijų laidumą, ilgaamžiškumą ir stabilumą.

Polimeriniai rišikliai naudojami ličio jonų baterijų neigiamame elektrode (anode). Jų funkcija – sutvirtinti elektrodą, užtikrinti elektrinį ir joninį laidumą bei mechaninį stabilumą.

Kadangi šių medžiagų kiekių yra labai mažai, jų neįmanoma tiesiogiai „pamatyti“ elektrodo viduje. Oksfordo universiteto Medžiagų mokslo departamento mokslininko Stanislawo Zankowskio vadovaujama tyrėjų grupė šią problemą išsprendė sukūrusi naują dažymo metodą.

Nauja dažymo technika

Zankowskio komanda naudojo pėdsakais aptinkamus sidabro ir bromo žymenis, kuriais pažymėjo iš celiuliozės ir latekso išvestus rišiklius anoduose. Tiriant šiuos žymenis rentgeno spektroskopija, buvo gauti unikalūs rentgeno signalai, leidžiantys aiškiai vizualizuoti rišiklių pasiskirstymą.

Siekdami detalesnės analizės, mokslininkai pasitelkė elektroninę mikroskopiją. Šis metodas pateikė tikslią informaciją apie tai, kaip žymėtieji elementai pasiskirstę elektrodo tūryje ir jo paviršiaus topografijoje.

„Ši dažymo technika atveria visiškai naują priemonių rinkinį, leidžiantį suprasti, kaip šiuolaikiniai rišikliai elgiasi gaminant elektrodus“, – teigė Zankowskis.

„Pirmą kartą galime tiksliai matyti šių rišiklių pasiskirstymą ne tik bendrai (pavyzdžiui, jų sluoksnio storį visame elektrode), bet ir lokaliai – kaip nanometrinio storio rišiklių sluoksnius ir sankaupas – bei susieti tai su anodo veikimo charakteristikomis.“

Kaip tai pagerina baterijų veikimą?

Taikydami šį požiūrį, mokslininkai nustatė, kad net ir nedideli rišiklių pasiskirstymo pokyčiai gali labai smarkiai paveikti baterijos charakteristikas.

Vien tik koreguodama šlamos (angl. slurry) maišymo ir džiovinimo protokolus, komanda sugebėjo sumažinti vidinę joninę varžą savo bandomuosiuose elektroduose iki 40 procentų. Tai labai svarbu, nes didelė vidinė joninė varža yra vienas pagrindinių veiksnių, ribojančių greitojo ličio jonų baterijų įkrovimo galimybes.

Be to, tyrėjai nustatė problemas, susijusias su 10 nanometrų storio karboksimetilceliuliozės (CMC) rišiklio sluoksniais, naudojamais grafito paviršiams dengti. Nors šie sluoksniai turėtų sudaryti vientisą dangą, elektrodo gamybos metu jie dažnai suskyla į netolygias saleles, o tai neigiamai veikia baterijos darbą.

„Ši tarpdisciplininė pastanga, apimanti chemiją, elektroninę mikroskopiją, elektrodų bandymus ir modeliavimo metodus, leido sukurti inovatyvų vaizdinimo metodą, kuris padės mums suprasti pagrindinius paviršiaus procesus, lemiančius baterijų ilgaamžiškumą ir veikimą“, – pabrėžė Oksfordo universiteto profesorius Patrickas Grantas, taip pat dalyvavęs šiame tyrime.

„Tai paskatins pažangą įvairiose baterijų taikymo srityse.“

Tyrėjų sukurta dažymo metodika, kuriai jau pateikta patento paraiška, veikia ne tik grafito elektroduose, bet ir tuose, kurie pagaminti iš silicio ir „SiOx“. Dėl to šis metodas yra perspektyvus įrankis būsimų baterijų architektūrų ir medžiagų tyrimams.