W akumulatorach litowo-jonowych odkryto rezerwę pojemności jałowej

Fosforan litowo-żelazowy jest jednym z najważniejszych materiałów stosowanych w akumulatorach pojazdów elektrycznych, stacjonarnych systemach magazynowania energii i narzędziach. Ma długą żywotność, jest stosunkowo niedrogi i nie ma tendencji do samozapłonu. Gęstość energii również postępuje. Jednak eksperci nadal są zaskoczeni, dlaczego akumulatory litowo-żelazowo-fosforanowe zmniejszają w praktyce ich teoretyczną zdolność do magazynowania energii elektrycznej nawet o 25 procent. Aby wykorzystać tę rezerwę pojemności jałowej, kluczowa będzie wiedza, gdzie i w jaki sposób jony litu są magazynowane w materiale akumulatora i uwalniane z niego podczas cykli ładowania i rozładowywania. Naukowcy z Politechniki w Grazu wykonali obecnie ważny krok w tym kierunku. Korzystając z transmisyjnych mikroskopów elektronowych, byli w stanie systematycznie śledzić jonów litu podczas ich przemieszczania się przez materiał akumulatora, z niespotykaną dotąd precyzją mapować ich rozmieszczenie w sieci krystalicznej katody z fosforanu żelaza i precyzyjnie określać ich rozmieszczenie w krysztale.

Kluczowy klucz do jeszcze większego zwiększenia pojemności akumulatorów

„Nasze badania wykazały, że nawet gdy eksperymentalne ogniwa akumulatorowe są w pełni naładowane, jony litu pozostają w sieci krystalicznej katody, zamiast migrować do anody. Te związane jony wiążą się z kosztami związanymi z pojemnością” – mówi Daniel Knez z Instytutu Mikroskopii Elektronowej i Nanoanaliza na Politechnice w Grazu. Stałe jony litu są nierównomiernie rozmieszczone w katodzie. Naukowcom udało się precyzyjnie zidentyfikować obszary o różnym stopniu wzbogacenia w lit i oddzielić je od siebie z dokładnością do kilku nanometrów. W strefach przejściowych występują zniekształcenia i zniekształcenia sieci krystalicznej katody. „Te szczegóły dostarczają ważnych informacji na temat efektów fizycznych, które dotychczas utrudniały wydajność akumulatorów i które możemy uwzględnić w dalszym rozwoju materiałów” – mówi Eli Hanzo z Instytutu Chemii i Technologii Materiałów, który był ściśle zaangażowany w badanie.

Metody można również przenieść na inne materiały akumulatorów

Aby przeprowadzić badania, naukowcy przygotowali próbki materiału z naładowanych i rozładowanych elektrod akumulatorowych i przeanalizowali je pod mikroskopem atomowym ASTEM na Politechnice w Grazu. Połączyli spektroskopię strat energii elektronów z pomiarami dyfrakcji elektronów i obrazowaniem na poziomie atomowym. „Łącząc różne metody przesiewowe, byliśmy w stanie określić, gdzie lit znajduje się w kanałach kryształu i jak się tam dostaje” – wyjaśnia Nikola Schemich z Instytutu Mikroskopii Elektronowej i Nanoanalizy oraz pierwsza autorka artykułu na temat ustaleń, które zespół badawczy opublikował niedawno w czasopiśmie. Zaawansowane materiały energetyczne„Opracowane przez nas metody i zdobytą wiedzę na temat dyfuzji jonów można przenieść na inne materiały akumulatorów po niewielkich modyfikacjach, aby dokładniej scharakteryzować ich właściwości i dalej je rozwijać.”