Foto: Stanislaw Zankowski

Nový pohled na polymerní pojiva v bateriích

Vědci z Oxfordské univerzity objevili způsob, jak vizualizovat jednu z nejskrytějších, ale zároveň klíčových součástí lithium-iontových baterií. Pomocí označení polymerních pojiv sledovatelnými markery odhalili, jak jsou tyto drobné materiály rozloženy na nanoměřítku a jak to ovlivňuje rychlost nabíjení a životnost baterií. Malé úpravy ve výrobě snížily vnitřní odpor až o 40 %, což potenciálně umožňuje rychlejší nabíjení. Tato technika by mohla pomoci zlepšit jak současné baterie, tak i návrhy budoucí generace.

Autor původního článku: redakce

Patentovaná technika barvení odhaluje skrytou strukturu

Výzkum se zaměřil na polymerní pojiva používaná v záporných elektrodách lithium-iontových baterií (anodách). Tato pojiva fungují jako lepidlo, které drží materiály elektrody pohromadě. I když tvoří méně než 5 % celkové hmotnosti elektrody, výrazně ovlivňují mechanickou pevnost, elektrickou a iontovou vodivost a to, jak dlouho může baterie fungovat při opakovaných nabíjecích cyklech. Protože pojiva jsou přítomna v tak malém množství a nemají jasné vizuální podpisy, vědci měli potíže s určením jejich přesného umístění v rámci elektrody. To omezovalo snahy o jemné doladění výkonu baterie, protože způsob, jakým jsou pojiva rozložena, přímo ovlivňuje vodivost, strukturální stabilitu a dlouhodobou životnost.

Pro překonání této překážky navrhli výzkumníci patentovanou techniku barvení, která připojuje sledovatelné stříbrné a bromové markery k běžně používaným celulózovým a latexovým pojivům v grafitových a křemíkových anodách. Jakmile jsou pojiva označena, mohou být detekována, protože vyzařují charakteristické rentgenové záření (měřeno pomocí energie-disperzní rentgenové spektroskopie) nebo odrážejí vysokoenergetické elektrony z povrchu vzorku (měřeno pomocí energie-selektivního zpětně rozptýleného elektronového zobrazování). Při pohledu pod elektronovým mikroskopem tyto signály poskytují detailní mapy, kde jsou umístěny specifické prvky a jak vypadá povrch elektrody. To umožňuje vědcům analyzovat rozložení pojiv s mnohem větší přesností než dříve.

Rychlejší nabíjení a delší životnost baterií

Použitím nového zobrazovacího nástroje tým zjistil, že i jemné posuny v rozložení pojiv mohou významně změnit, jak efektivně se baterie nabíjí a jak dlouho vydrží. Při testování úpravy míchání a sušení směsi snížily vnitřní iontový odpor experimentálních elektrod až o 40 % — což je hlavní překážka rychlého nabíjení. Výzkumníci také zachytili detailní snímky extrémně tenkých vrstev karboxymethylcelulózového (CMC) pojiva, které pokrývají grafitové částice. Technika umožnila jasnou detekci CMC vrstev jen 10 nm silných a vizualizovala struktury pokrývající čtyři řády velikosti v rámci jednoho snímku. Snímky odhalily, že to, co začíná jako rovnoměrný CMC povlak, se může během zpracování elektrody rozpadnout na nerovnoměrné, skvrnité fragmenty, což může oslabit výkon a stabilitu baterie.

Spoluautor profesor Patrick Grant (Katedra materiálů, Oxfordská univerzita) řekl: „Tento multidisciplinární přístup, zahrnující chemii, elektronovou mikroskopii, elektrochemické testování a modelování, vedl k inovativnímu zobrazovacímu přístupu, který nám pomůže pochopit klíčové povrchové procesy ovlivňující životnost a výkon baterie. To posune vpřed pokroky v široké škále aplikací baterií.“

Podpora z průmyslu a budoucí aplikace

Práce byla podpořena projektem Nextrode Faradayovy instituce a již přitáhla značný zájem z průmyslu, včetně hlavních výrobců baterií a výrobců elektrických vozidel.