Instytut Fizyki Jądrowej PAN im. H. Niewodniczańskiego w Krakowie
Nowa era baterii
Zespół naukowców z IFJ PAN kierowany przez prof. Zbigniewa Łodziana uczestniczył w wynalezieniu nowego materiału przewodzącego prąd, który może zrewolucjonizować konstrukcję baterii w przenośnych urządzeniach elektronicznych.
Większość urządzeń elektronicznych, których używamy na co dzień, zasilanych jest bateriami litowo-jonowymi. Składają się one z dwóch elektrod połączonych ciekłym elektrolitem. To utrudnia redukowanie ich rozmiarów i masy, dlatego od lat naukowcy poszukują materiałów, które mogły by zastąpić ciekłe elektrolity. Polsko-szwajcarski zespół naukowców zaprezentował na łamach „Advanced Energy Materials” nową klasę związków jonowych, gdzie nośnikami ładunku są jony litu poruszające się w środowisku cząsteczek aminowych (NH2) i borowodorkowych (BH4). Część eksperymentalną projektu badawczego zrealizowano w szwajcarskim federalnym ośrodku badań materiałowych Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology Empa w Dübendorfie oraz na Uniwersytecie Genewskim. Zespół z IFJ odpowiadał za opis teoretyczny mechanizmów prowadzących do wyjątkowo dużej przewodności jonowej nowego materiału.
– Zajmowaliśmy się amido-borowodorkiem litu, substancją wcześniej znaną jako niezbyt dobry przewodnik jonowy. Związek ten wytwarza się mieląc ze sobą dwa składniki w proporcji 1 do 3. Nikt dotychczas nie sprawdzał, co się dzieje z przewodnością jonową, gdy proporcje między tymi składnikami zostaną zmienione. Zrobiliśmy to dopiero my i raptem się okazało, że zmniejszając liczbę grup NH2 do pewnej wartości granicznej można znacznie poprawić przewodność. Wzrasta ona tak bardzo, że staje się porównywalna z przewodnością ciekłych elektrolitów – mówi prof. Łodziana.
To otwiera nowy, dotychczas nieeksploatowany kierunek poszukiwań kandydatów na stały elektrolit. Wcześniej w badaniach koncentrowano się niemal wyłącznie na zmianach kompozycji chemicznej substancji. Teraz okazuje się, że na etapie produkcji związków kluczową rolę mogą odgrywać proporcje między składnikami używanymi do ich wytworzenia.
– Nasz amido-borowodorek litu to przedstawiciel nowej, obiecującej klasy materiałów-kandydatów na stały elektrolit. Jednak zanim baterie zbudowane na takich związkach trafią do użytku, musi jeszcze upłynąć trochę czasu. Na przykład między elektrolitem a elektrodami nie powinny zachodzić żadne reakcje chemiczne prowadzące do ich degradacji. Ten problem wciąż czeka na optymalne rozwiązanie – dodaje prof. Łodziana.
Perspektywy są obiecujące. Naukowcy nie ograniczyli się bowiem do samego scharakteryzowania właściwości fizyko-chemicznych nowego materiału. Związek został użyty jako elektrolit w typowym półogniwie Li4Ti5O12. Pod względem teoretycznym nowy materiał pozostaje jednak wyzwaniem. Dotychczasowe modele konstruowano dla substancji, w których jony litu poruszały się w środowisku atomów. W nowym materiale jony przemieszczają się wśród lekkich cząsteczek, które zmieniając swoją przestrzenną orientację ułatwiają im ruch. Poznanie tych mechanizmów powinno przyspieszyć poszukiwanie optymalnych związków na stały elektrolit i skrócić proces komercjalizacji nowych źródeł prądu, które mogą zrewolucjonizują przenośną elektronikę.
JK