Istraživači iz Nacionalne laboratorije Argonne i Univerziteta u Čikagu došli su do odgovora na jedno od dugotrajnih pitanja u razvoju litijum-jonskih baterija: zašto i napredne monokristalne katode, zamišljene kao dugotrajnije i bezbjednije rješenje za električna vozila, vremenom ipak gube svoje performanse.
Rezultati istraživanja, objavljeni u uglednom naučnom časopisu Nature Nanotechnology, bacaju novo svjetlo na mehanizme degradacije ovih materijala i pokazuju da problem nije tamo gdje se godinama pretpostavljalo.
Monokristalne katode razvijene su kao odgovor na slabosti tradicionalnih polikristalnih katoda. Za razliku od njih, one nemaju granice zrna, tj. mikroskopske spojeve između sitnih kristala koji su u polikristalnim materijalima često polazna tačka za pucanje i oštećenja. Umjesto toga, monokristalne katode izrađuju se kao jedan jedinstven kristal, što je trebalo da im obezbijedi veću mehaničku stabilnost i duži radni vijek. Uprkos tom dizajnu, praksa je pokazala da se i one degradiraju brže nego što se očekivalo, što je godinama zbunjivalo naučnike.
„Prilikom prelaska na monokristalne katode, primjenjivala su se ista dizajnerska načela kao i kod polikristalnih. Naš rad pokazuje da je glavni mehanizam degradacije monokristalnih čestica zapravo drugačiji“, objašnjava Jing Wang, prva autorka studije.
Kako bi razumjeli šta se zaista dešava unutar ovih materijala, istraživači su koristili sinhrotronsko rendgensko zračenje i elektronsku mikroskopiju visoke rezolucije. Ove napredne metode omogućile su im da „zavire“ u unutrašnju strukturu katodnih čestica tokom rada baterije. Utvrđeno je da različite regije unutar jedne iste čestice ne reaguju istom brzinom tokom punjenja i pražnjenja. Takva neujednačena reakcija stvara unutrašnja naprezanja, koja se vremenom akumuliraju i dovode do pucanja materijala iznutra.
Istraživanje je donijelo i iznenađujuće nalaze kada je riječ o sastavu katodnih materijala. Dok kobalt u polikristalnim katodama može da podstakne pucanje i degradaciju, u monokristalnim katodama pokazuje suprotan efekat, doprinosi većoj trajnosti i stabilnosti. Mangan, s druge strane, u ovakvoj strukturi uzrokuje izraženija mehanička oštećenja.
Ipak, pred istraživačima i industrijom ostaje značajan izazov – cijena. Kobalt je skup i ograničen resurs, što otežava njegovu široku primjenu u baterijama za masovno tržište. Upravo zato, naredna faza istraživanja biće usmjerena na pronalaženje pristupačnijih materijala koji bi mogli da obezbijede isti stabilizujući efekat u monokristalnim katodama.
Ovi nalazi predstavljaju važan korak ka razvoju pouzdanijih baterija za električna vozila i druge tehnologije zasnovane na skladištenju energije, ali i podsjećaju da i najsavremenija rješenja kriju složene izazove koje je potrebno razumjeti do najsitnijih detalja.
Ne propustite novosti, savjete i priče o zaštiti životne sredine koje redovno dijelimo.
Zaprati Zeleni talas na Instagramu
Lajkuj Zeleni talas na Facebooku
Zaprati Zeleni talas na X-u
Zaprati Zeleni talas na YouTube kanalu
