Superszybkie ładowanie i długi czas życia baterii z grafenowymi kulkami Samsunga

Ciągle słychać o przełomach technicznych w dziedzinieprzechowywania energii – ale zachodzą one tylko w laboratoriachfizykochemicznych. Zwykły konsument, korzystający ze zwykłejprzenośnej elektroniki, od ponad dekady ogląda właściwie te sameogniwa litowo-jonowe. Z postępu w tej dziedzinie zobaczyliśmy tylko mechanizmy szybkiego ładowania. Kiedy więc ten kolejny wielkiprzełom? Z opublikowanego w ostatnim wydaniu Nature Communicationsartykułu badaczy Samsunga wynika, że właśnie nastąpił.Wykorzystanie kulek z kompozytu grafenowo-krzemowego do pokryciaelektrod pozwoliło im zwiększyć pojemność ogniwa o niemal 28%,ponad dwukrotnie wydłużyć jego żywotność oraz nawetpięciokrotnie przyspieszyć czas ładowania. Co najważniejsze, tonie jest jakiś egzotyczny, laboratoryjny proces – Koreańczycypokazują, że synteza grafenowo-krzemowych kulek skaluje się dopoziomu przemysłowego.

Trochę przesadzamy z „tymi samymi ogniwami litowo-jonowymi”.One się oczywiście rozwijały, tylko że ewolucyjnie. W ichkluczowym zastosowaniu, tj. smartfonach, w takich parametrach jakpojemność, gęstość energetyczna, żywotność i bezpieczeństwo,osiągnęły zdaniem ekspertów poziom satysfakcjonujący. Gdy jednakna rynku pojawiły się elektryczne auta, nagle okazało się, że toco mamy nie wystarczy – zbyt mała gęstość energetyczna, zbytniska szybkość ładowania, nawet ze spełnieniem normbezpieczeństwa było ciężko. Nie może być inaczej, tenewolucyjny postęp pokazał nam, że kluczowe właściwości ogniwlitowo-jonowy pozostają ze sobą w ścisłym związku. Trudnoulepszyć jedną z nich, nie pogarszając zarazem innych.

Przyspieszenia ładowania poszukiwano w nanotechnologiach –wykorzystanie węglowych nanocząstek pozwoliło zwiększyć tempoładowania, ale wiązało się to ze zmniejszeniem gęstościenergetycznej ogniw. Wykorzystanie grafenu do powlekania elektrodpozwoliło zwiększyć ich przewodnictwo… ale tylko w warunkachlaboratoryjnych. W warunkach przemysłowych nie udało się nikomuuzyskać jednorodnego pokrycia. Próbowano też domieszkowaniaznanych materiałów dodatkami, które zwiększyłyby tempo dyfuzjijonów w ogniwie, ale też podejście to okazało się kończyćzmniejszeniem pojemności ogniwa.

Wyzwaniem też pozostaje zachowanie odpowiednio długiego cyklużycia, szczególnie dla tych ogniw litowo-jonowych, które zawierająelektrody z materiałów o wysokiej pojemności. Mieszanie jonówdodatnich podczas ładowania prowadzi w nich do szybkiej degradacji ikrystalizacji struktury ogniwa, czemu towarzyszą niepożądanereakcje na powierzchni elektrody.

Odpowiedzią badaczy z Samsung Advanced Institute of Technologyjest pokrycie niklowych elektrod „grafenowymi kulkami”. Kaźdataka kulka jest złożona z rdzenia z tlenku krzemu SiO(x) iotaczających go grafenowych powłok, które tworzą trójwymiarowąstrukturę przypominającą popcon. Taka kompozytowa nanocząsteczkapozwala na uniknięcie niepożądanych zjawisk, zachodzących podczaswytwarzania grafenu, na czele z powstawaniem warstwy węglika krzemu.Dzięki temu można uzyskać jednolite pokrycie katody warstwągrafenowych kulek, jak również uzyskać wysoką pojemność, gdygrafenowe kulki używane są do stworzenia anody.

Jednolite pokrycie katody zwiększa stabilność jej interakcji zelektrolitem i przewodnictwo elektronów, wydłużając czas życiaogniwa i szybkość ładowania – pozwalając naładować ogniwo wciągu 12 minut. Wyniki eksperymentów pokazują możliwośćuzyskania gęstości energii rzędu 800 Wh/L. To jest okołopięciokrotnie więcej niż w wypadku zwykłych baterii kwasowych, inawet trzykrotnie więcej niż w wypadku starszych generacji bateriilitowo-jonowych. Interesujące z perspektywy motoryzacyjnej jest teżporównanie z olejem napędowym (dieslem), oferującym gęstośćenergii na poziomie ok. 10 tys. Wh/L.

Co szczególnie istotne, wykorzystanie grafenowych kulek znaczącowydłuża czas życia ogniw. Po 500 cyklach pełnego ładowania wtemperaturach od 5°C do 60°C, zachowują one 84,1% swojej startowejpojemności. Dla dziś wykorzystywanych w smartfonach ogniw, możemyspodziewać się zachowania około 55% pojemności.

Jak wspomnieliśmy, to nie jest rozwiązanie (tylko) do zabaw wlaboratorium. Koreańscy badacze przedstawiają cały przemysłowyproces, w którym w temperaturze 1000°C do pieca zawierajacegonanocząsteczki dwutlenku krzemu pompowany jest metan. W takichwarunkach rozpada się on, uwalniając atomy wodoru, redukującedwutlenek krzemu do SiO(x). Powstała warstwa tych nanocząsteczekjest katalizatorem wzrostu grafenu, a pozostałe jony OH- służąjako utleniacz, ułatwiający formowanie grafenowej struktury. Potempozostaje powlec tym w wirówce proszek, z którego powstajeelektroda – przy 3 tys. obrotów na minutę zajmuje to raptem 10minut.

Daleko wyższa wydajność zabezpieczonych grafenowym „popcornem”ogniw litowo-jonowych okazała się na tyle interesująca dlaSamsunga, że cały proces został już opatentowany w USA i KoreiPołudniowej, czeka na patent w Europie. Rozwiązania Koreańczykówznaleźć mają zastosowania zarówno w mobilnej elektronice jak imotoryzacji jeszcze w tej dekadzie.

Zainteresowani znajdą wszystkie szczegóły w artykulept. Graphene balls for lithium rechargeable batteries with fastcharging and high volumetric energy densities, opublikowanym nałamach Nature Communications.