Było wiadome, że w akumulatorach litowo-jonowych z katodami wykonanymi ze złożonych, bogatych w lit tlenków metali przejściowych występują straty energii podczas cyklu ładowania-rozładowania. Niedawno międzynarodowy zespół ustalił, dlaczego tak się dzieje, a wnioski z tego opublikowano w dzienniku Nature Materials.
Naukowcy dowiedzieli się, dlaczego energia ucieka z katod akumulatorów litowo-jonowych
W dążeniu do akumulatorów nowej generacji o wyższej gęstości energii naukowcy stawiają na zaawansowane materiały katodowe, takie jak bogate w lit kompleksowe tlenki metali przejściowych. Te są obecnie rekordzistami pod względem pojemności właściwej ze względu na udział kationów metali przejściowych (niklu i kobaltu) oraz anionów tlenu w reakcjach redoks.
Czytaj też: Europejska Agencja Kosmiczna ma plan ocalenia ludzkości przed asteroidą
Jednak histereza napięciowa, czyli różnica między napięciami ładowania i rozładowania, prowadzi do strat energii podczas pracy akumulatora i ogranicza jego praktyczne zastosowania. Powodem tego są „długo żyjące kinetycznie utrudnione gatunki pośrednie niklu”. Więcej informacji na ten temat udzielają sami naukowcy:
Podczas ładowania akumulatora litowo-jonowego dodatnio naładowane kationy litu opuszczają swoje miejsca w strukturze materiału katody, a następnie osiadają w nich ponownie, gdy akumulator jest rozładowywany. Aby materiał katody pozostał elektrycznie neutralny, powinien uwalniać lub przyjmować taką samą liczbę elektronów. Nasze badania pokazują, że przeszkody kinetyczne i bariery energetyczne są w dużym stopniu spowodowane transferem elektronów, a nie tylko migracją kationów litu. Transfer elektronów pomiędzy kationami metalu a atomami tlenu może być szczególnie powolny, co prowadzi do strat energii
– wyjaśnia profesor Artem Abakumov, dyrektor Centrum Nauki i Technologii Energetycznej Skoltech (CEST).
Aby uchwycić te długotrwałe stany elektroniczne, zaczęliśmy od wykluczenia innych możliwych przyczyn histerezy, takich jak zmiany w strukturze krystalicznej katody spowodowane migracją kationów metali przejściowych. Dzięki transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości – a konkretnie mikroskopowi Titan Themis Z w Advanced Imaging Core Facility – dostarczyliśmy niezbitych dowodów na to, że takie nieodwracalne procesy nie zachodzą. Mikroskop Titan Themis Z ma rozdzielczość przestrzenną do 0,06 nm, co oznacza, że możemy uzyskać obrazy struktur krystalicznych o rozdzielczości atomowej
– mówi doktorant Skoltech, Anatolii Morozov.
