Mikroskopijne sito węglowe jako strażnik katody
Tamtejsi inżynierowie, zamiast szukać nowych materiałów, postanowili opanować te, które już znali. Dokonali tego poprzez inteligentną modyfikację ich powierzchni. Zastosowana metoda selektywnego ograniczania migracji jonów, opisana na początku tego roku, pozwoliła osiągnąć parametry, o jakich wcześniej można było tylko pomarzyć. Dotychczas napotykany problem tkwił w zachowaniu katod zbudowanych z fluorków metali przejściowych, na przykład dwufluorku kobaltu (CoF2).
Czytaj też: Krok w stronę cichszego i oszczędniejszego latania. Skrzydło, które dopasowuje się w locie
W wysokich temperaturach, w kontakcie ze stopionym elektrolitem, tworzyły one rozpuszczalne kompleksy, które migrowały z elektrody, skutecznie unieruchamiając cały akumulator. Chińscy badacze postanowili więc pokryć cząstki aktywnego materiału ultracienką warstwą węgla o specyficznej strukturze porowatej. Pory w tej warstwie mają precyzyjnie dobraną średnicę około 0,54 nanometra. To swego rodzaju molekularne sito, które przepuszcza maleńkie jony litu (średnica ~0,15 nm), niezbędne do reakcji, ale blokuje znacznie większe, zawierające kobalt (~0,8 nm), które dotychczas prowadziły do degradacji.
Powstrzymanie niekorzystnej wędrówki materiału aktywnego
Dzięki tej barierze udało się znacznie ograniczyć tzw. efekt wahadłowy, czyli niekontrolowaną migrację składników katody do elektrolitu. Dane pomiarowe są dobitne: po rozładowaniu zwykłej katody CoF2 w elektrolicie znajdowało się 18,8% wagowych kobaltu, podczas gdy w przypadku katody z nowym interfejsem węglowym wartość ta spadła do 10,6%. Jeszcze bardziej wymowny jest stosunek węgla do kobaltu po pełnym cyklu: dla ulepszonej katody był on czterokrotnie wyższy, co oznacza, że znacznie więcej materiału aktywnego pozostało na swoim miejscu i było gotowe do pracy.
Efekt praktyczny takiego zabiegu okazał się spektakularny. Prototypowy akumulator osiągnął stabilne napięcie pracy powyżej 2,5 V, pojemność właściwą 365 mAh/g i, co najważniejsze, energię właściwą na poziomie 882 Wh/kg. To wynik ponad dwukrotnie lepszy niż osiągane przez obecne komercyjne rozwiązania i o około 50% lepszy od nieoptymalizowanych laboratoryjnych wersji z czystym CoF2.
Nasze odkrycia stanowią mechanistyczne podstawy do projektowania nowej generacji akumulatorów termicznych o wysokiej gęstości energii poprzez precyzyjną inżynierię interfejsów – podkreśla Song Wang z Instytutu Inżynierii Procesowej Chińskiej Akademii Nauk
Realistyczne spojrzenie w przyszłość
Najciekawszy aspekt tej pracy może nie leżeć w samym rekordzie energetycznym, lecz w uniwersalności zaproponowanego podejścia. Metoda inżynierii interfejsu węglowego teoretycznie nadaje się do zastosowania z innymi fluorkami metali, takimi jak FeF3 czy CuF2, które obiecują jeszcze wyższe napięcia pracy. To otwiera drogę do projektowania całej rodziny ulepszonych akumulatorów termicznych.
Czytaj też: Wystarczył tani akumulatorowy trik. Odkryli sekret większego zasięgu w samochodach elektrycznych
Bez wątpienia mówimy o ważnym kroku naprzód w badaniach podstawowych. Oczywiście wielkim wyzwaniem będzie dojście do etapu, na którym dochodzi do masowej produkcji komponentu, działającego niezawodnie w ekstremalnych warunkach. Kluczowe będzie sprawdzenie trwałości takiego interfejsu w setkach czy tysiącach cykli oraz opracowanie ekonomicznie uzasadnionej metody jego wytwarzania. Mimo to, po latach walki z fundamentalną barierą, wreszcie widać konkretną i elegancką ścieżkę, którą można podążać.