Suradnički istraživački tim pod vodstvom profesora Chena Wanghue s Fakulteta fizikalnih znanosti i tehnologije Sveučilišta u Ningbu, zajedno s istraživačima sa Sveučilišta za tehnologiju u Ningbu i Tehnološkog instituta u Ningbu, najavio je proboj u materijalima za anode litijevih baterija u čvrstom stanju (Solid State Battery).
Tim je uspješno razvio novu anodu od silicijskih nanožica s trodimenzionalnom “prozračnom” strukturom, inspiriranom prirodnim respiratornim mehanizmima, nudeći obećavajući novi put za razvoj visokoučinkovitih litijevih baterija u čvrstom stanju sa silicijskim anodama.
Znanstvenici i industrija općenito smatraju potpuno litijeve baterije u čvrstom stanju “krajnjim ciljem” za tehnologiju baterija sljedeće generacije zbog njihove poboljšane sigurnosti, veće gustoće energije i vrhunskih performansi ciklusa. Među potencijalnim anodnim materijalima za ove napredne baterije, silicij se ističe svojim iznimno visokim teorijskim kapacitetom – deset puta većim od tradicionalnih komercijalnih grafitnih anoda – i izvrsnom kemijskom kompatibilnošću. Međutim, praktična primjena silicija ozbiljno je ograničena njegovim dramatičnim širenjem volumena, koje je tri puta veće od izvorne veličine tijekom ciklusa punjenja i pražnjenja. Ovo širenje dovodi do jakog mehaničkog naprezanja, odvajanja međupovršine i brze degradacije elektrokemijskih performansi.
Toyota je solid-state baterijom dosega 1.200 km postala sila s kojom se mora računati
„Ako litijevu bateriju usporedimo sa skladištem energije, silicij je prepoznati ‘super nosač’ s ogromnim potencijalom pohrane“, objasnio je profesor Chen Wanghua. „Međutim, ovaj ‘div’ ima izuzetno nestabilan temperament: prilikom apsorpcije litijevih iona tijekom punjenja, volumen silicija se naglo širi više od tri puta. S ponovljenim ciklusima punjenja i pražnjenja, silicij se ponaša poput balona koji se stalno napuhuje i ispuhuje, te na kraju ‘kolabira’ zbog iscrpljenosti, što dovodi do iznenadne smrti baterije.“
Kako bi se suočili s ovim ključnim izazovom, istraživački tim osmislio je inovativno rješenje koje omogućuje siliciju da „slobodno diše“ unutar krutog čvrstog okruženja. Koristeći tehnologiju kemijskog taloženja iz pare pojačanog plazmom (PECVD), dizajnirali su i izradili novu trodimenzionalnu stupčastu silicijsku arhitekturu koja se izravno integrira s kolektorom struje. Ovaj dizajn ima „dvofaznu“ strukturu jezgre i ljuske, pripremljenu dvofaznim PECVD postupkom.
„Odmaknuli smo se od tradicionalnog ‘silicijevog praha’ i umjesto toga napravili smo silicij koji ‘stoji’ poput drveća u šumi, isprepleten i tvori trodimenzionalnu mrežu na kolektoru struje“, objasnio je profesor Chen. „Ove nanožice imaju obilje praznina između sebe, slično kao što se unutar baterije ugrađuju bezbrojni ‘ventili za disanje’. Kada litijevi ioni naglo prodru, silicijeve nanožice mogu se proširiti u te rezervirane prostore bez drobljenja okolnog elektrolita.“
Forever Battery obećava kako će promijeniti industriju električnih vozila
Eksperimentalni rezultati pokazuju da ova stupčasta silicijska anoda pokazuje iznimne elektrokemijske performanse i praktičnost. Razvijena baterija pokazala se sposobnom za kontinuirano napajanje čak i kada je savijena ili režena škarama, pokazujući izvanrednu mehaničku robusnost i sigurnost. Ovo istraživanje uspostavlja novu paradigmu za objedinjavanje kinetike ionskog transporta s mehaničkim integritetom kroz arhitektonski dizajn. Pruža izvediv i praktičan tehnički put za razvoj visokoenergetskih, dugotrajnih, potpuno silicijskih litijevih baterija u čvrstom stanju, približavajući sljedeću generaciju tehnologije baterija stvarnosti.
Davor Kindy
Foto: Samsung/QuantumScape
