Vědci vyvinuli baterii s 99,98% účinností: Nový materiál zastavuje dendrity a prodlužuje životnost
InovaceVědci z Hong Kong University of Science and Technology ve spolupráci se Shanghai Jiao Tong University dosáhli významného průlomu ve vývoji lithium-kovových baterií.
Vědci z Hong Kong University of Science and Technology ve spolupráci se Shanghai Jiao Tong University dosáhli významného průlomu ve vývoji lithium-kovových baterií. Vyvinuli nový materiál, který by mohl vyřešit jeden z největších problémů těchto baterií a posunout je blíže k masovému využití v elektromobilech a velkokapacitních úložištích energie.
Lithium-kovové baterie jsou považovány za nástupce současných lithium-iontových systémů díky své vyšší energetické hustotě. Dosud se však potýkaly s bezpečnostními problémy, zejména s tvorbou lithium-dendritů a nestabilními rozhraními, které vedou k degradaci a zkratům. Stávající materiály pro elektrolyty, tzv. kovalentní organické struktury (COF), byly sice zkoumány pro své porézní a stabilní struktury, ale většina z nich je polykrystalická. To vytváří odpor na hranicích zrn a omezuje efektivitu pohybu iontů.
Tým vědců vytvořil jednokrystalickou 3D borátovou kovalentní organickou strukturu (B-COF), která funguje jako pevný elektrolyt. Použili COF-303 jako šablonu k vybudování jednokrystalické struktury s vysoce uspořádanými iontovými kanály. Tento design výrazně snižuje odpor mezi zrny a umožňuje rovnoměrnější ukládání lithia, čímž účinně potlačuje tvorbu dendritů. Uspořádané iontové dráhy materiálu také zajišťují konzistentnější tok iontů napříč elektrolytem, což snižuje vznik horkých míst a nerovnoměrných reakcí. To by mělo výrazně prodloužit životnost baterie i v reálných podmínkách, kde opakované nabíjecí cykly často vedou ke ztrátě výkonu a bezpečnostním rizikům.
Nový materiál vykazuje vynikající elektrochemické vlastnosti. Dosahuje iontové vodivosti 8,1 mS cm−1 při pokojové teplotě a přenosového čísla Li+ 0,98, což umožňuje rychlý a selektivní transport iontů uvnitř baterie. Testy prokázaly stabilní ukládání a odstraňování lithia po dobu více než 2 000 hodin v symetrických článcích, což naznačuje dlouhodobou provozní spolehlivost a snížená bezpečnostní rizika. V konfiguracích celých článků s katodami LiFePO4 si baterie udržely 91,8 procenta kapacity po 600 cyklech s coulombickou účinností 99,98 procenta. Počáteční kapacita článků byla 147 mAh g−1, což svědčí o konzistentním výkonu při dlouhodobém používání.
Tento výzkum zdůrazňuje, jak strukturální kontrola na úrovni materiálu může přímo ovlivnit výkon baterie. Eliminací neuspořádanosti, která je typická pro polykrystalické struktury, se vědcům podařilo zlepšit jak účinnost, tak bezpečnost lithium-kovových systémů. Profesor Yoonseob Kim uvedl, že jejich výzkum podtrhuje slibnou životaschopnost jednokrystalických 3D B-COF jako kvazi-pevných elektrolytů. Pokud se tento přístup podaří úspěšně škálovat, mohl by pomoci vyřešit dlouhodobá omezení v designu baterií, zejména v aplikacích vyžadujících vysokou energetickou hustotu a dlouhodobou stabilitu, jako jsou elektromobily, ukládání energie v síti a další energeticky náročné systémy, kde bezpečnost zůstává kritickým faktorem.