Mikroskopijny sabotażysta w sercu akumulatora
Zespół badawczy z Instytutu Badań Polimerów Maxa Plancka w Niemczech, we współpracy z naukowcami z Japonii, dokonał przełomu. W opublikowanej w ACS Nano pracy jego członkowie przedstawili wyniki pomiarów regionu ładunków przestrzennych. Udało im się ustalić, że tworząca się głównie przy dodatniej elektrodzie warstwa ma grubość poniżej 50 nanometrów. Jest mniej więcej tysiąc razy cieńsza od ludzkiego włosa. Mimo swoich mikroskopijnych rozmiarów, odpowiada za około 7% całkowitego oporu akumulatora, skutecznie hamując przepływ jonów litu.
Czytaj też: Chińczycy łączą atom ze słońcem w przełomowej mikro-sieci. Wyniki testów zadziwiają nawet ekspertów
Akumulator to rodzaj pompy. Jony, czyli naładowane atomy, poruszają się wewnątrz akumulatora, co na zewnątrz musi być równoważone przepływem elektronów, a tym samym przepływem prądu – obrazuje problem Rüdiger Berger, lider grupy w Instytucie Badań Polimerów Maxa Plancka
Co ciekawe, wpływ tej bariery nie jest stały i zależy od użytych materiałów, co oznacza, że w niektórych konfiguracjach może być jeszcze bardziej dotkliwy. Odkrycie to było możliwe dzięki połączeniu dwóch nowatorskich technik pomiarowych: mikroskopii sił atomowych z sondą Kelvina oraz analizy reakcji jądrowych. Ich zastosowanie w badaniu baterii to prawdziwa nowość.
Dynamiczna natura problemu
Największym zaskoczeniem dla naukowców okazała się nie sama obecność ładunków przestrzennych, lecz ich dynamiczny charakter. Warstwa nie jest statycznym tworem. Zamiast tego zmienia swoje właściwości w zależności od stopnia naładowania ogniwa. To sprawia, że znalezienie uniwersalnego rozwiązania będzie znacznie trudniejsze, niż mogłoby się początkowo wydawać. Problem nie ma jednego, prostego przełącznika do wyłączenia.
Obie techniki są nowe w badaniach nad akumulatorami i mogą być również wykorzystane do innych pytań w przyszłości – dodaje Taro Hitosugi z Uniwersytetu Tokijskiego
Opracowane metody diagnostyczne otwierają nowy rozdział w inżynierii materiałowej dla baterii. Dają narzędzia do precyzyjnego śledzenia procesów zachodzących w czasie rzeczywistym, nie tylko w kontekście ładunków przestrzennych. To klucz do projektowania ogniw od podstaw, zamiast działania po omacku. Znalezienie winowajcy to dopiero pierwszy krok. Teraz przed inżynierami stoi znacznie trudniejsze zadanie: jak go wyeliminować lub choćby znacznie ograniczyć. Naukowcy wskazują dwie główne ścieżki: modyfikację składu chemicznego materiału elektrody lub przeprojektowanie jej struktury fizycznej w mikroskali. Oba kierunki mają na celu zmniejszenie tendencji do gromadzenia się ładunków, co bezpośrednio przełożyłoby się na skrócenie czasu ładowania.