Bateriile de nouă generație pot stoca de trei ori mai multă energie

Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie Delft, în colaborare cu cei de la Universitatea Tsinghua, au făcut un pas important către un nou tip de baterii litiu-ion, care sunt folosite, printre altele, în smartphone-uri, laptopuri și mașini electrice.

Pentru prima dată, au reușit să producă un electrolit care să se potrivească bine cu un anod din litiu metalic. Litiul metalic este sfântul graal pentru anozi. În teorie, cu acest material se poate obține o densitate de energie de două până la trei ori mai mare în comparație cu bateriile actuale.

Bateriile Li-ion sunt formate din trei componente: doi electrozi, anodul și catodul și un electrolit. Aceasta este o substanță chimică în care ionii de litiu curg de la o parte la alta. O problemă clasică este că atunci când bateriile Li-ion sunt încărcate și descărcate, electrolitul se încetinește, dar sigur. În timpul acestui proces, deșeurile se acumulează la interfața dintre electrolit și electrozi, ceea ce duce în timp la necesitatea de a vă încărca telefonul mobil de mai multe ori pe zi, de exemplu.

În prezent, bateriile comerciale utilizează în principal carbonați ca electrolit. Aceștia sunt compuși chimici care conțin carbon și oxigen. Pentru bateriile Li-ion actuale, acestea funcționează bine. Electrolitul se descompune foarte încet, făcând aceste baterii să reziste ani de zile. „Dar dacă doriți să creșteți densitatea energetică a bateriilor, trebuie să utilizați materiale complet diferite”, spune liderul cercetării Marnix Wagemaker. Pentru anozi, litiul metalic este sfântul graal. Acest lucru se datorează faptului că poate stoca mult mai mulți ioni de litiu decât anozii de astăzi, care sunt realizați din grafit, materialul care poate fi găsit și în vârful creionului. Mai mulți ioni de litiu sunt egali cu o densitate de energie mai mare și, prin urmare, o baterie care durează mai mult înainte de a fi golită.

Motivul pentru care caloriferul se montează sub fereastră. Explicația la care nu te-ai fi gândit

Ce trebuie să faci ca peștele congelat să aibă gust proaspăt. Trucul simplu cu un singur ingredient

Ne vom putea încărca telefoanele mai repede și mai rar, cu aceste baterii?

În teorie, o baterie cu un anod de litiu metalic are o capacitate de stocare pentru litiu care este de până la zece ori mai mare decât cea a bateriilor noastre actuale. Problema este că nu este disponibil un electrolit bun pentru bateriile cu anozi litiu-metalici. Electroliții care sunt folosiți pe scară largă în acest moment se descompun mult prea repede în combinație cu un anod litiu-metalic.

Cercetătorii Universității de Tehnologie Delft au dezvoltat acum un electrolit bazat pe un alt tip de compuși numiți amide. Acest electrolit funcționează bine cu anozi de metal litiu și, prin urmare, este un pas important către o nouă generație de baterii litiu-ion.

Astfel, noul electrolit nu oprește decăderea care are loc în interiorul bateriilor. „La fel ca toți ceilalți electroliți, electrolitul nostru se descompune din cauza reacțiilor cu electrozii”, spune Wagemaker. „Diferența este că această descompunere are un efect pozitiv asupra electrolitului nostru. Produsele reziduale care se formează între electrozi și noul electrolit au, de fapt, un efect protector. Se creează un strat care oprește reacțiile dăunătoare suplimentare. În plus, stratul permite ionilor să treacă cu ușurință, asigurându-se că bateria continuă să funcționeze corect pentru o perioadă foarte lungă de timp. Este încă în descompunere, dar într-un mod foarte controlat”, explică acesta.

Rezultatele cercetărilor efectuate de Wagemaker și echipa sa sunt promițătoare

Electroliții pot consta în atât de multe substanțe diferite și în atât de multe cantități, încât principala provocare pentru cercetători a fost să găsească un cocktail potrivit de substanțe chimice. Rețeta noului electrolit a fost dezvoltată datorită unei combinații a unei metode avansate de calcul, bazată pe legile mecanicii cuantice și ceea ce Wagemaker numește „intuiția chimică”. „Știam că amidele vor declanșa probabil o reacție care ar forma un astfel de strat protector”, explică cercetătorul. „Prin calculele noastre teoretice, am reușit să prezicem în continuare ce ar fi un cocktail care funcționează bine”.

Wagemaker lucrează la Reactor Institute Delft, reactorul de cercetare al TU Delft, unde are la dispoziție un instrument științific care are o mare valoare pentru cercetarea bateriei sale. Acest instrument este capabil să urmărească ionii de litiu din electrolit în timp real, folosind neutroni. Tehnica se numește Neutron Depth Profiling. Wagemaker spune că a reușit să vadă exact cum un strat protector a influențat pozitiv formarea litiului metalic în timp și a văzut și cum acest lucru a îmbunătățit durata de viață a bateriei.

Rezultatele cercetărilor efectuate de Wagemaker și echipa sa sunt promițătoare, dar mai sunt de lucru înainte ca o baterie nouă și mai bună să fie disponibilă și înainte ca aceasta să poată fi adusă pe piață. „Acum avem oportunități interesante de a îmbunătăți anozii de litiu în combinație cu un electrolit care funcționează bine. Dar trebuie, de asemenea, să îmbunătățim catodul, altfel vom pierde progresele pe care le-am făcut până acum”, explică Wagemaker. Există, de asemenea, multe optimizări de făcut. Dar Wagemaker este plin de speranță: „Mă aștept că vom putea produce în curând o baterie la nivel de laborator cu o densitate de energie care este de două până la trei ori mai mare decât bateriile noastre actuale. Este posibil să nu aibă încă o durată de viață de mii de cicluri de încărcare-descărcare, dar sute de cicluri sunt cu siguranță la îndemână”.