Baterie litowo-jonowe to niezbędny element naszej rzeczywistości. To one zasilają większość podręcznych urządzeń, smartfonów, tabletów, laptopów czy aparatów fotograficznych bez których nie wyobrażamy sobie życia. To one znajdują coraz większe zastosowanie w budowie elektrycznych, czy hybrydowych samochodów. Te baterie mogłyby być mniejsze, lżejsze, bezpieczniejsze i bardziej wydajne, gdyby znajdujący się w nich płynny elektrolit zastąpić substancją w formie stałej. Grupa fizyków ze Szwajcarii i Polski zaproponowała właśnie nową klasę materiałów, która mogłaby pełnić rolę takiego stałego elektrolitu.
Komercyjnie dostępne baterie litowo-jonowe składają się z dwóch elektrod połączonych ciekłym elektrolitem. Taka postać baterii utrudnia inżynierom redukowanie rozmiarów i masy, elektrolit może też wyciec, co grozi kontaktem litu z tlenem i samozapłonem. Tego typu problemy były przyczyną głośnych kłopotów firmy Boeing, która musiała poprawiać konstrukcję ogniw stosowanych w najnowszych samolotach pasażerskich typu Dreamliner.
Poważnymi kandydatami na materiał zdolny zastąpić ciekłe elektrolity były do tej pory między innymi związki, w których jony litu znajdują się w otoczeniu jonów siarki lub tlenu. Szwajcarsko-polski zespół naukowców zaproponował coś innego. Na łamach czasopisma "Advanced Energy Materials" przedstawił zalety nowej klasy związków jonowych, gdzie nośnikami ładunku są jony litu poruszające się w środowisku cząsteczek aminowych (NH2) i borowodorkowych (BH4). Część eksperymentalną projektu badawczego zrealizowano w szwajcarskim federalnym ośrodku badań materiałowych Empa w Dübendorfie oraz na Uniwersytecie Genewskim (UG). Za opis teoretyczny mechanizmów prowadzących do wyjątkowo dużej przewodności jonowej nowego materiału odpowiadał prof. dr hab. Zbigniew Łodziana z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.
Zajmowaliśmy się amido-borowodorkiem litu, substancją wcześniej znaną jako niezbyt dobry przewodnik jonowy. Związek ten wytwarza się mieląc ze sobą dwa składniki w proporcji 1 do 3. Nikt dotychczas nie sprawdzał, co się dzieje z przewodnością jonową, gdy proporcje między tymi składnikami zostaną zmienione. Zrobiliśmy to dopiero my i raptem się okazało, że zmniejszając liczbę grup NH2 do pewnej wartości granicznej można znacznie poprawić przewodność. Wzrasta ona tak bardzo, że staje się już porównywalna z przewodnością ciekłych elektrolitów - mówi prof. Łodziana.
Kilkudziesięciokrotny wzrost przewodności jonowej nowego materiału, zaobserwowany jako efekt zmiany proporcji tworzących go składników, otwiera nowy, dotychczas nieeksploatowany kierunek poszukiwań kandydatów na stały elektrolit. Wcześniej na świecie koncentrowano się niemal wyłącznie na zmianach kompozycji chemicznej substancji. Teraz okazuje się, że na etapie produkcji związków kluczową rolę mogą odgrywać same proporcje między składnikami używanymi do ich wytworzenia.
Nasz amido-borowodorek litu to przedstawiciel nowej, obiecującej klasy materiałów-kandydatów na stały elektrolit. Jednak zanim baterie zbudowane na takich związkach trafią do użytku, musi jeszcze upłynąć trochę czasu. Na przykład między elektrolitem a elektrodami nie powinny zachodzić żadne reakcje chemiczne prowadzące do ich degradacji. Ten problem wciąż czeka na optymalne rozwiązanie - przyznaje prof. Łodziana.
Autorzy pracy zaproponowali model teoretyczny, w którym znakomita przewodność jonowa jest konsekwencją specyficznej budowy sieci krystalicznej proponowanego materiału. Sieć ta składa się w rzeczywistości z dwóch podsieci. Okazuje się, że jony litu przebywają tu w komórkach elementarnych tylko jednej podsieci. Jednak bariera dyfuzji między podsieciami jest niska. W odpowiednich warunkach jony przenoszą się więc do drugiej, pustej podsieci, w której mogą się dość swobodnie przemieszczać - tłumaczy prof. Łodziana.
Naukowcy z Empa, UG i IFJ PAN przeprowadzili testy nowego materiału jako elektrolitu w typowym półogniwie Li4Ti5O12. Półogniwo miało dobrą wydajność, która po 400-krotnym ładowaniu i rozładowaniu okazała się stabilna. Praktyczne wykorzystanie nowego materiału będzie możliwe jednak dopiero po pełnym zrozumieniu mechanizmów odpowiedzialnych za jego dużą przewodność. Przedstawiony opis teoretyczny tłumaczy tylko część obserwowanych cech nowego materiału, ich lepsze zrozumienie jest warunkiem koniecznym komercjalizacji nowych źródeł prądu. Jeśli to się powiedzie naszą przenośną elektronikę czeka prawdziwa rewolucja.
Na podstawie informacji prasowej Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.