Литиево-металните батерии се разглеждат като следващата стъпка в еволюцията на енергийните технологии - с потенциал да съхраняват два пъти повече енергия в сравнение с настоящите литиево-йонни батерии. Въпреки това краткият им жизнен цикъл, измерван в ограничен брой презареждания, остава сериозна пречка пред тяхната широка комерсиализация.
Ново изследване, ръководено от учени от Калифорнийския институт за наносистеми към Калифорнийския университет в Лос Анджелис (UCLA CNSI), дава надежда за преодоляване на този проблем. Проучването, публикувано в списанието Science Advances, представя нова техника за изображения, наречена електрифицирана криогенна електронна микроскопия (eCryoEM), която за първи път позволява наблюдение на литиево-метални батерии по време на зареждане с пространствена резолюция, по-малка от дължината на вълната на светлината.
Методът предоставя нова перспектива върху процесите, които ограничават живота на тези батерии, и разкрива потенциални пътища за тяхното инженерно усъвършенстване. В контекста на глобалната надпревара за развитие на енергийни технологии, доминирана в момента от китайски производители, подобен пробив дава възможност на САЩ да си върне преднината в стратегически важна индустрия.
Какво мотивира изследването?
Към момента Китай контролира около 80 процента от глобалната верига за доставка на литиево-йонни батерии. Това прави конкуренцията изключително трудна и ограничава възможностите за енергийна независимост, особено ако Съединените щати искат да ускорят прехода си към електрически превозни средства и мащабно съхранение на енергия.
Литиевият метал представлява обещаваща алтернатива, тъй като позволява почти двойно по-висока енергийна плътност от литиево-йонните батерии. За съжаление, техният жизнен цикъл е значително по-кратък – най-ефективните литиево-метални батерии, описани в научната литература, издържат едва около 200 цикъла, в сравнение с хиляди при литиево-йонните технологии. Основната причина е високата химическа реактивност на литиевия метал и склонността му да образува корозионен слой при контакт с течния електролит в батерията.
Какво представлява техниката eCryoEM и какво я отличава от досегашните методи?
Класическата криогенна електронна микроскопия, макар и мощна, досега се използваше предимно за анализ „пост фактум“ – тоест, след като дадена електрохимична реакция е приключила. Така се изпуска динамичната информация за това как се развиват процесите в реално време, което води до т.нар. „сляпа зона“ в разбирането на деградацията.
За да преодолеят този проблем, изследователите от UCLA разработват техника, при която батерията се замразява с течен азот точно по време на процеса на зареждане. За целта те конструират изключително тънък прототип на батерия, който може да бъде бързо замразен в рамките на милисекунди, така че електрохимичните реакции да бъдат „фиксирани“ в момента на настъпването им. Като замразяват батериите в различни фази на зареждане и комбинират изображенията, учените създават своеобразна „анимация“, която показва как се формира и променя корозионният филм с течение на времето.
Какви са основните открития?
Изследователите сравняват два различни електролита – един с висока производителност и един с ниска. Батерията с първия може да бъде презареждана около 100 пъти, докато с втория – едва 50 пъти.
До момента се смяташе, че основната причина за разликата е в дифузията на електрони през корозионния слой – при по-бърза дифузия настъпва по-интензивна корозия. Но наблюденията с eCryoEM показват нещо различно: именно началната реактивност на електролита е ключовият фактор. В ранните фази на реакцията скоростта на нарастване на корозионния слой е три пъти по-висока при нискокачествения електролит. След като слоят достигне определена дебелина, скоростта се ограничава от дифузията, но разликата между двата електролита в тази фаза е едва около 10 процента.
Какви са последиците за дизайна на бъдещите литиево-метални батерии?
Досега инженерните усилия бяха насочени основно към модифициране на свойствата на корозионния слой, така че той да ограничава преминаването на електрони. Но новите резултати сочат, че по-ефективен подход би бил да се създаде електролит, който е химически по-инертен и не реагира лесно с литиевия метал още в началната фаза на работа.
Тази насока не е нова като концепция, но настоящото проучване за първи път я количествено обосновава и подчертава нейната критична важност. Това означава, че бъдещият прогрес в разработката на литиево-метални батерии може да бъде постигнат най-вече чрез химично инженерство на електролитите.
Има ли потенциал тази техника да бъде използвана и извън сферата на батериите?
Електрифицираната криогенна електронна микроскопия има потенциал да се превърне в основен инструмент в науката за материалите. Изследователската група на доц. Южан Ли вече използва този подход за изучаване на процеси в суперкондензатори и технологии за улавяне и конвертиране на въглероден диоксид в горива. Изследванията са частично финансирани от Фондацията „Пакърд“.
Най-вълнуващото е, че методът може да се използва и в биологията. Подобно на батериите, нервната система функционира чрез електрически сигнали. Изследователите планират да приложат eCryoEM за наблюдение на мозъчни клетки, подложени на различни напрежения, за да изучават динамичните промени в протеиновите структури на йонните канали. Това може да доведе до пробиви в разбирането на неврологични заболявания и разработката на нови терапии.
Заключение
Технологията eCryoEM дава възможност за безпрецедентно детайлно наблюдение на литиево-метални батерии по време на работа. Новите открития разкриват, че първоначалната реактивност на електролита е критичен фактор за деградацията на батерията. Това ще позволи по-ефективен инженеринг на електролитите и ускоряване на внедряването на батерии с по-висока енергийна плътност и по-дълъг живот. Освен това потенциалът на техниката се простира отвъд сферата на енергетиката – до биологията, невронауката и материалознанието.
Източник: TechXplore
