Napredak na planu komercijalizacije baterija u čvrstom stanju

Povezane objave

• Novosti iz Fejsbuk: Naš “tajmlajn” više nikad neće biti isti! 26/12
• Da li nanočestice koje se koriste u industriji predstavljaju pretnju po zdravlje ljudi? 06/05
• Vakcine, reklame i kontrola sadržaja 29/07

Svi znamo, ili bar mislimo da znamo, da su čvrste baterije bolje od baterija s tečnim ili polutečnim elektrolitima.

Baterija u čvrstom stanju ima manji rizik od toplotnog bekstva (ono što obični ljudi nazivaju požarima). Takođe ima veću energetsku gustinu, može se brže puniti i prazniti, radi bolje na niskim temperaturama i duže traje. Pa zašto ih onda svi ne koriste za napajanje svojih električnih vozila na baterije?

Odgovor je da niko ne zna kako da ih proizvede van laboratorije, još uvek. Međutim, naučnici su sve bliži tome. Prema MIT-u, jedan od glavnih kamena spoticanja za pravljenje čvrste baterije je da nestabilnosti na granici između sloja čvrstog elektrolita i dve elektrode s obe strane, mogu dramatično skratiti njen životni vek. Dodavanje specijalnih premaza za poboljšanje veze između slojeva rešava neke od problema, ali u isto vreme povećava troškove proizvodnje.

Tim istraživača s MIT-a i Nacionalne laboratorije u Brukhejvenu, došao je do načina da se postignu rezultati koji su jednaki ili prevazilaze trajnost premazanih površina bez potrebe za samim premazima. Ključ je da se eliminiše svaki trag ugljen-dioksida tokom ključnog koraka u proizvodnom procesu, poznatom kao sinterovanje.

U tom procesu, materijali čvrstih baterija napravljeni od keramičkih jedinjenja, zagrevaju se da bi se stvorila veza između katode i elektrolita. Budući da se to radi u prisustvu čistog kiseonika, stvaraju se veze koje odgovaraju performansama najbolje premazanih površina, bez dodatnih troškova koje donose premazi. Rezultati istraživanja objavljeni su nedavno u časopisu Advanced Energy Materials.

„Baterije u čvrstom stanju su dugo bile poželjne iz različitih razloga“, kaže istraživačica Bilgi Jildiz. „Ključne motivacione tačke za čvrste baterije su da su bezbednije i imaju veću energetsku gustinu“, ali ona kaže da su komercijalizaciju velikih razmera sprečila dva faktora: niža provodljivost čvrstog elektrolita i problemi s površinskom nestabilnošću.

Dilema provodljivosti je efikasno rešena, tako da su materijali razumno visoke provodljivosti već demonstrirani, kaže Jildiz. Međutim, prevazilaženje nestabilnosti koje nastaju na površini bilo je daleko izazovnije. Ove nestabilnosti se mogu javiti i tokom proizvodnje i tokom elektrohemijskog rada takvih baterija, ali za sada su se istraživači fokusirali na proizvodnju, a posebno na proces sinterovanja.

Čvrste baterije i sinterovanje

Sinterovanje je potrebno jer ako se keramički slojevi jednostavno pritisnu jedan na drugi, kontakt između njih je daleko od idealnog. Previše je praznina i električni otpor preko kontaktnih površina je visok. Sinterovanje uzrokuje da atomi iz svakog materijala migriraju u drugi i formiraju veze.

Eksperimenti tima su pokazali da se na temperaturama iznad nekoliko stotina stepeni dešavaju štetne reakcije koje povećavaju otpor na površini ako je ugljen-dioksid prisutan, čak i u malim količinama. Oni su pokazali da izbegavanje ugljen-dioksida, a posebno održavanje čiste atmosfere kiseonika tokom sinterovanja, može stvoriti preduslove za veoma dobro vezivanje na temperaturama do 700 stepeni, bez formiranja bilo kakvog štetnog jedinjenja.

Performanse veze između katoda i elektrolita napravljene ovom metodom, bile su „uporedive s najboljim otporima na kontaktnoj površini koje smo videli u literaturi“, ali su svi postignuti korišćenjem dodatnog koraka nanošenja premaza. „Utvrdili smo da možete izbeći taj dodatni korak proizvodnje, koji je obično skup“, rekla je Jildiz.

Šta je sledeće?

Istraživački tim sada proučava kako se ove veze dugoročno drže tokom ciklusa baterije. U međuvremenu, novi nalazi bi se potencijalno mogli brzo primeniti na proizvodnju čvrstih baterija, dodaje Jildiz. „Ono što mi predlažemo je relativno jednostavan proces u proizvodnji ćelija. To ne dodaje velike energetske penale u proizvodnji. Dakle, verujemo da se može relativno lako usvojiti u procesu proizvodnje.” Dodatni troškovi su zanemarljivi, smatra tim

Istraživanje je podržala Kancelarija za istraživanje američke vojske preko MIT instituta za primenu nanotehnologije u vojsci. Tim je koristio objekte koje podržava Nacionalna naučna fondacija i objekte u Nacionalnoj laboratoriji Brukhejven uz podršku Odeljenja za energetiku.