Samonaprawiający się polimer wydłuży czas życia baterii

liion

Baterie litowo-jonowe są obecnie najpopularniejszymi źródłami energii w elektronice. Znajdują zastosowanie m.in. w urządzeniach przenośnych, gdyż są lekkie i magazynują stosunkowo dużo energii. Naukowcy ze Stanford University opracowali technologię poprawiającą trwałość oraz wydłużającą czas żywotności baterii, poprzez wykorzystanie samonaprawiającego polimeru, który zapobiega powstawaniu pęknięć na elektrodach.

Naukowcy na całym świecie szukają sposobu na zwiększenie pojemności baterii litowo-jonowych przy jednoczesnej redukcji ich wagi. Do tej pory najczęściej wybieranym wybieranym materiałem do produkcji elektrod w bateriach był węgiel w postaci grafitu. Gdy bateria jest naładowana, cząsteczki litu związane są między płaszczyznami węgla tworząc LiC6. Podczas rozładowywania następuje ich uwolnienie, a energia wiązań jest oddawana do urządzenia potrzebującego zasilania. Aby bateria mogła magazynować więcej energii, elektroda musi gromadzić więcej jonów litu. Obiecującym materiałem do zastąpienia grafitu jest krzem, który z cząsteczkami litu tworzy kompleksy Li15Si4 oraz Li21Si5. Lepsza zdolność krzemu od grafitu do pochłaniania i uwalniania jonów litu (większa pojemność) ma też swoją cenę. Elektrody krzemowe podczas wiązania jonów pęcznieją, zwiększając swoją objętość ponad trzykrotnie. Kolejne cykle ładowania/rozładowania związane ze zmianą rozmiarów elektrod powodują powstawanie mikropęknięć, niszczenie anod, a rezultacie skrócenie czasu żywotności baterii.

Aby temu zaradzić, inżynierowie ze Stanford wykorzystali elastyczny, samonaprawiający się polimer (z ang. self-healing polymer, SHP), w którym umieścili mikrocząsteczki krzemu o średnicy 3-8 mikrometrów (z ang. silicon microparticle, SiMP), stanowiące miejsca wiązania litu. Naukowcy zmodyfikowali bezpostaciowy (amorficzny) polimer, który wykorzystują również w badaniach nad sztuczną e-skórą dla robotów, czujników, protez i innych zastosowań. Krzemowe elektrody zostały dodatkowo wzbogacone nanocząteczkami węgla zapewniającymi przewodnictwo elektryczne oraz poprawiającymi właściwości mechaniczne. Gdy krzemowa elektroda zaczynała pęcznieć, polimerowe łańcuchy ulegały rozszerzeniu i przegrupowaniu, jednak bez zniszczenia. Dalsze powstawanie pęknięć i porów w cząsteczkach krzemu było hamowane przez polimer. Następnie wszelkie uszkodzenia powierzchni były „naprawiane” dzięki wiązaniom wodorowym polimerowej powłoki.

Zespół testował nowy materiał poprzez wielokrotne ładowanie i rozładowywanie baterii. Po dziewięćdziesięciu cyklach elektrody posiadały około 80% początkowej pojemności. Obecnie wykorzystywane baterie litowo-jonowe wytrzymują odpowiednio około 500 cykli w przypadku telefonów komórkowych oraz ponad 3000 w akumulatorach przeznaczonych dla samochodów elektrycznych. Naukowcy pracują nad dalszym zwiększeniem trwałości i wydajności baterii. Samonaprawiąjący się, litowo-polimerowy kompozyt może w przyszłości otworzyć drogę do produkcji nowej generacji baterii dla najbardziej wymagających zastosowań.

Poniższy film przedstawiajak bardzo rozciągliwy jest polimer, którym pokryto elektrody. Naukowcy powlekli nim balon, a następnie wielokrotnie pompowali go i wypuszczali powietrze, imitując pracę baterii. Polimer rozciąga się, ale nie pęka (Film jest własnością Brad Plummer/SLAC).

Źródło:
[1] Self-healing chemistry enables the stable operation of silicon microparticle anodes for high-energy lithium-ion batteries.Chao Wang, Hui Wu, Zheng Chen, Matthew T. McDowell, Yi Cui & Zhenan Bao. Nature Chemistry 5, 1042–1048 (2013) doi:10.1038/nchem.1802
[2] http://www.nature.com/nchem/journal/v5/n12/full/nchem.1802.html#supplementary-information | 22.11.2013
[3] http://www.nature.com/nchem/journal/v5/n12/extref/nchem.1802-s1.pdf | 22.11.2013
[4] https://www6.slac.stanford.edu/news/2013-11-17-scientists-invent-self-healing-battery.aspx | 22.11.2013
[5] Pride of Li-ions by Rob Brewer (rbrwr), flickr.com, CC BY-SA 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *