Koreańscy naukowcy opracowali separator do akumulatorów litowo-metalowych, który porządkuje drogę jonów litu wewnątrz ogniwa. W testach bateria ładowana w zaledwie 15 minut zachowała po 100 cyklach 94 proc. początkowej pojemności. Wyniki opublikowano w czasopiśmie ACS Nano.

Dlaczego szybkie ładowanie jest problemem

Baterie litowo-metalowe mogą magazynować więcej energii niż rozwiązania stosowane dziś powszechnie, dlatego uchodzą za obiecujących kandydatów na ogniwa kolejnej generacji. Mają jednak poważną wadę. Podczas ładowania lit odkłada się w postaci ostrych, rozgałęzionych struktur zwanych dendrytami. Skracają one żywotność baterii, mogą uszkodzić wewnętrzny separator, a w skrajnych przypadkach prowadzą nawet do pożaru lub eksplozji.

Problem nasila się przy szybkim ładowaniu, dlatego dłuższy zasięg samochodów elektrycznych i krótszy czas ładowania telefonów wymagają rozwiązania tej kwestii.

Jak działa nowy separator

Zespół kierowany przez profesorów Dong Ki Yoona i Hye Ryung Byon z wydziału chemii wykorzystał polimery ciekłokrystaliczne. To materiały łączące uporządkowanie typowe dla ciał stałych z płynnością cieczy. Orientację ich cząsteczek można zmieniać, np. przez obróbkę powierzchni, co pozwoliło badaczom narzucić jonom litu uporządkowane ścieżki.

Na tej podstawie powstał porowaty separator z nanometrycznymi porami, do którego wprowadzono łańcuchy glikolu polietylenowego (PEG), ułatwiające przemieszczanie się jonów litu. Naukowcy porównali dwie wersje: z cząsteczkami ułożonymi pionowo i poziomo.

• Układ pionowy tworzy rodzaj „autostrady”, którą jony biegną prosto do elektrod.
• W porównaniu z układem poziomym kręta droga jonów (tzw. krętość) zmalała około 2,5-krotnie.
• Efekt: jony poruszają się szybciej i równomierniej, co ogranicza powstawanie dendrytów.

Wyniki testów

Separator sprawdzono w rzeczywistym ogniwie litowo-metalowym. Przy ładowaniu z szybkością 4C bateria po 100 cyklach ładowania i rozładowania zachowała 94 proc. początkowej pojemności. Oznaczenie C opisuje tempo ładowania: 1C to teoretyczne naładowanie w godzinę, 2C w 30 minut, a 4C w około 15 minut.

Profesor Yoon podkreśla, że kontrola ułożenia cząsteczek polimerów ciekłokrystalicznych pozwala efektywnie projektować drogi jonów litu i poprawiać wydajność oraz stabilność baterii.

Co to oznacza w praktyce

To na razie badania laboratoryjne, a 100 cykli to wynik daleki od tego, czego oczekuje się od baterii w samochodzie czy smartfonie, które muszą wytrzymać wielokrotnie więcej ładowań. Nie ma też informacji o komercjalizacji technologii, więc na produkty w sklepach i salonach trzeba będzie poczekać, o ile podejście przejdzie dalsze testy.

Dla polskich kierowców i użytkowników elektroniki ma to znaczenie pośrednie. Europa, w tym Polska jako jeden z ważnych producentów ogniw i modułów bateryjnych w UE, intensywnie szuka sposobów na bezpieczniejsze i szybciej ładujące się akumulatory. Prace nad separatorami są jednym z kierunków, który może w przyszłości pomóc w osiągnięciu tego celu, choć nic nie wskazuje, by ta konkretna technologia była już wdrażana w Europie.

Źródło: Tech Xplore – „Aligned separator design improves lithium metal battery fast-charging performance and stability”