Smartfony będą działać dłużej? W końcu przełom w rozwoju akumulatorów Li-ion

W dzisiejszych akumulatorach litowo-jonowych kationy litu znajdują się przede wszystkim w elektrolicie i w czasie pracy akumulatora osadzają się na anodzie wykonanej z grafitu lub krzemu. Wprowadzenie do tego układu anody wykonanej z czystego litu zaowocuje zauważalnym skokiem wydajności. Naukowcy twierdzą, że jest to najlepszy materiał do takich zastosowań – jest lekki i ma bardzo wysoką gęstość energii, ma więc bardzo korzystny współczynnik pojemności do objętości i do masy. A to wprost prowadzi do możliwości budowania mniejszych niż obecnie akumulatorów o większej pojemności.

Produkcja litowej anody wymagała pokonania licznych przeszkód, przez które wielu wybitnych naukowców nie przebrnęło. Wiele materiałów, w tym grafit czy krzem w anodzie, podczas ładowania akumulatora zwiększa swoją objętość. Lit jest wyjątkowy i „puchnie” bardzo mocno, w porównaniu do innych pierwiastków, a do tego nierówno, przez co powierzchnia tego elementu akumulatora może pękać. Przez pęknięcia cenne jony wydostają się na zewnątrz i mogą formować atomowe „włosy” lub „drzewa” wewnątrz akumulatora (dendryty). Narośl skraca obwód wewnątrz akumulatora. Drugim poważnym problemem jest wysoka reaktywność litu i jego tendencja do wiązania się z elektrolitem, przez co akumulator traci pojemność. Z trzecim problemem spotykamy się na co dzień – jeśli dojdzie do kontaktu anody i elektrolitu, wydziela się ciepło, co może wywołać zapalenie się lub eksplozję akumulatora.

Opisane problemy zostały rozwiązane dzięki konstrukcji węglowych kopuł ochronnych, które chronią litową anodę. Naukowcy wzorowali się na plastrze miodu, co pozwoliło stworzyć warstwę ochronną, która jest elastyczna, jednolita, wytrzymała mechanicznie i chemicznie stabilna. Ścianka węglowej nanosfery ma grubość 20 nanometrów.

Akumulator, aby trafił do komercyjnej produkcji, musi być w stanie oddać 99,9% ładunku, który przyjął podczas ładowania. Obecnie wynalazek z Uniwersytetu Stanforda ma wydajność na poziomie 99% i zachowuje ją przez około 150 cykli. To spory skok względem wcześniejszych litowych konstrukcji, przy których można było zaobserwować spadek z 96 do 50% w 100 cyklach), ale nadal jest miejsce na udoskonalenia.

Naukowcy twierdzą, że dzięki temu osiągnięciu można zwiększyć pojemność produkowanych obecnie akumulatorów nawet czterokrotnie. Są jednak ostrożni i zapewniają, że realne wydłużenie czasu pracy naszych urządzeń będzie sięgać rzędu 2-3 razy. Samochody elektryczne powinny na tym zyskać wyjątkowo dużo, gdyż auto zdolne przejechać na jednym ładowaniu 300 mil (483 km) będzie kosztować 25 tysięcy dolarów (poniżej 80 tysięcy złotych).

Zespołem kierował profesor Yi Cui z katedry zajmującej się inżynierią materiałową. Do badań przyłączył się także Steven Chu, były Sekretarz Energetyki Stanów Zjednoczonych i laureat Nagrody Nobla za rozwój metod chłodzenia i pułapkowania atomów laserem.