r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Superszybkie ładowanie i długi czas życia baterii z grafenowymi kulkami Samsunga

Strona główna AktualnościSPRZĘT

Ciągle słychać o przełomach technicznych w dziedzinie przechowywania energii – ale zachodzą one tylko w laboratoriach fizykochemicznych. Zwykły konsument, korzystający ze zwykłej przenośnej elektroniki, od ponad dekady ogląda właściwie te same ogniwa litowo-jonowe. Z postępu w tej dziedzinie zobaczyliśmy tylko mechanizmy szybkiego ładowania. Kiedy więc ten kolejny wielki przełom? Z opublikowanego w ostatnim wydaniu Nature Communications artykułu badaczy Samsunga wynika, że właśnie nastąpił. Wykorzystanie kulek z kompozytu grafenowo-krzemowego do pokrycia elektrod pozwoliło im zwiększyć pojemność ogniwa o niemal 28%, ponad dwukrotnie wydłużyć jego żywotność oraz nawet pięciokrotnie przyspieszyć czas ładowania. Co najważniejsze, to nie jest jakiś egzotyczny, laboratoryjny proces – Koreańczycy pokazują, że synteza grafenowo-krzemowych kulek skaluje się do poziomu przemysłowego.

Trochę przesadzamy z „tymi samymi ogniwami litowo-jonowymi”. One się oczywiście rozwijały, tylko że ewolucyjnie. W ich kluczowym zastosowaniu, tj. smartfonach, w takich parametrach jak pojemność, gęstość energetyczna, żywotność i bezpieczeństwo, osiągnęły zdaniem ekspertów poziom satysfakcjonujący. Gdy jednak na rynku pojawiły się elektryczne auta, nagle okazało się, że to co mamy nie wystarczy – zbyt mała gęstość energetyczna, zbyt niska szybkość ładowania, nawet ze spełnieniem norm bezpieczeństwa było ciężko. Nie może być inaczej, ten ewolucyjny postęp pokazał nam, że kluczowe właściwości ogniw litowo-jonowy pozostają ze sobą w ścisłym związku. Trudno ulepszyć jedną z nich, nie pogarszając zarazem innych.

Przyspieszenia ładowania poszukiwano w nanotechnologiach – wykorzystanie węglowych nanocząstek pozwoliło zwiększyć tempo ładowania, ale wiązało się to ze zmniejszeniem gęstości energetycznej ogniw. Wykorzystanie grafenu do powlekania elektrod pozwoliło zwiększyć ich przewodnictwo… ale tylko w warunkach laboratoryjnych. W warunkach przemysłowych nie udało się nikomu uzyskać jednorodnego pokrycia. Próbowano też domieszkowania znanych materiałów dodatkami, które zwiększyłyby tempo dyfuzji jonów w ogniwie, ale też podejście to okazało się kończyć zmniejszeniem pojemności ogniwa.

r   e   k   l   a   m   a

Wyzwaniem też pozostaje zachowanie odpowiednio długiego cyklu życia, szczególnie dla tych ogniw litowo-jonowych, które zawierają elektrody z materiałów o wysokiej pojemności. Mieszanie jonów dodatnich podczas ładowania prowadzi w nich do szybkiej degradacji i krystalizacji struktury ogniwa, czemu towarzyszą niepożądane reakcje na powierzchni elektrody.

Odpowiedzią badaczy z Samsung Advanced Institute of Technology jest pokrycie niklowych elektrod „grafenowymi kulkami”. Kaźda taka kulka jest złożona z rdzenia z tlenku krzemu SiO(x) i otaczających go grafenowych powłok, które tworzą trójwymiarową strukturę przypominającą popcon. Taka kompozytowa nanocząsteczka pozwala na uniknięcie niepożądanych zjawisk, zachodzących podczas wytwarzania grafenu, na czele z powstawaniem warstwy węglika krzemu. Dzięki temu można uzyskać jednolite pokrycie katody warstwą grafenowych kulek, jak również uzyskać wysoką pojemność, gdy grafenowe kulki używane są do stworzenia anody.

Jednolite pokrycie katody zwiększa stabilność jej interakcji z elektrolitem i przewodnictwo elektronów, wydłużając czas życia ogniwa i szybkość ładowania – pozwalając naładować ogniwo w ciągu 12 minut. Wyniki eksperymentów pokazują możliwość uzyskania gęstości energii rzędu 800 Wh/L. To jest około pięciokrotnie więcej niż w wypadku zwykłych baterii kwasowych, i nawet trzykrotnie więcej niż w wypadku starszych generacji baterii litowo-jonowych. Interesujące z perspektywy motoryzacyjnej jest też porównanie z olejem napędowym (dieslem), oferującym gęstość energii na poziomie ok. 10 tys. Wh/L.

Co szczególnie istotne, wykorzystanie grafenowych kulek znacząco wydłuża czas życia ogniw. Po 500 cyklach pełnego ładowania w temperaturach od 5°C do 60°C, zachowują one 84,1% swojej startowej pojemności. Dla dziś wykorzystywanych w smartfonach ogniw, możemy spodziewać się zachowania około 55% pojemności.

Jak wspomnieliśmy, to nie jest rozwiązanie (tylko) do zabaw w laboratorium. Koreańscy badacze przedstawiają cały przemysłowy proces, w którym w temperaturze 1000°C do pieca zawierajacego nanocząsteczki dwutlenku krzemu pompowany jest metan. W takich warunkach rozpada się on, uwalniając atomy wodoru, redukujące dwutlenek krzemu do SiO(x). Powstała warstwa tych nanocząsteczek jest katalizatorem wzrostu grafenu, a pozostałe jony OH- służą jako utleniacz, ułatwiający formowanie grafenowej struktury. Potem pozostaje powlec tym w wirówce proszek, z którego powstaje elektroda – przy 3 tys. obrotów na minutę zajmuje to raptem 10 minut.

Daleko wyższa wydajność zabezpieczonych grafenowym „popcornem” ogniw litowo-jonowych okazała się na tyle interesująca dla Samsunga, że cały proces został już opatentowany w USA i Korei Południowej, czeka na patent w Europie. Rozwiązania Koreańczyków znaleźć mają zastosowania zarówno w mobilnej elektronice jak i motoryzacji jeszcze w tej dekadzie.

Zainteresowani znajdą wszystkie szczegóły w artykule pt. Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fast charging and high volumetric energy densities, opublikowanym na łamach Nature Communications.

© dobreprogramy
r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Komentarze

r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a
Czy wiesz, że używamy cookies (ciasteczek)? Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianach ustawień.
Korzystając ze strony i asystenta pobierania wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.