Ερευνητές ανέπτυξαν έναν διαχωριστή κυτταρίνης εμπλουτισμένο με μπικιταΐτη, ο οποίος βελτιώνει τη γρήγορη φόρτιση και εκφόρτιση μπαταριών λιθίου-μετάλλου με καθόδους NCM90 (Interesting Engineering)
Ένας νέος διαχωριστής κυτταρίνης εμπλουτισμένος με μπικιταΐτη θα μπορούσε να βοηθήσει τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου να ανταποκρίνονται σε γρήγορους κύκλους λειτουργίας, βελτιώνοντας παράλληλα την απόδοση καθόδων NCM90 υψηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο.
Ερευνητές στη Νότια Κορέα διαπίστωσαν ότι ο διαχωριστής αύξησε τη χωρητικότητα σε υψηλούς ρυθμούς εκφόρτισης και συνέβαλε στην αποτροπή της ανάπτυξης δενδριτών στην άνοδο λιθίου-μετάλλου.
Ο διαχωριστής, που ονομάζεται CBT, χρησιμοποιεί μια πορώδη δομή κυτταρίνης σε συνδυασμό με μπικιταΐτη, ένα ορυκτό της οικογένειας των ζεόλιθων.
Μαζί, τα δύο υλικά δημιουργούν διαδρομές που επιτρέπουν στα ιόντα λιθίου να κινούνται πιο ομοιόμορφα μέσα στο στοιχείο της μπαταρίας.
Αυτό είναι σημαντικό για τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου, οι οποίες μπορούν να προσφέρουν υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου, αλλά εξακολουθούν να παρουσιάζουν δυσκολίες στη λειτουργία τους σε υψηλούς ρυθμούς.
Η ανομοιόμορφη εναπόθεση λιθίου μπορεί να οδηγήσει στον σχηματισμό δενδριτών, ενώ η υποβάθμιση του ηλεκτρολύτη μπορεί να μειώσει την απόδοση και να αυξήσει τον κίνδυνο βραχυκυκλωμάτων.
Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον καθηγητή Sun-Yul Ryou του Hanbat National University, διαπίστωσαν ότι ο τροποποιημένος διαχωριστής αντιμετώπισε επίσης ένα πρόβλημα στην πλευρά της καθόδου, όπου οι υψηλοί ρυθμοί εκφόρτισης μπορούν να προκαλέσουν απότομη πτώση της αξιοποιήσιμης χωρητικότητας.
Οι διαδρομές των ιόντων βελτιώνουν την ταχύτητα της μπαταρίας
Ο διαχωριστής CBT παρουσίασε ιοντική αγωγιμότητα 3,45 × 10⁻³ S cm⁻¹ και αριθμό μεταφοράς ιόντων λιθίου 0,742. Οι ερευνητές συνέδεσαν αυτές τις ιδιότητες με την ταχύτερη και πιο ομοιόμορφη μεταφορά ιόντων, η οποία μειώνει την πόλωση κατά τις απαιτητικές συνθήκες φόρτισης και εκφόρτισης.
Στο 1C, οι κυψέλες που χρησιμοποιούσαν CBT και οι κυψέλες με συμβατικούς διαχωριστές πολυαιθυλενίου απέδωσαν και οι δύο περίπου 197 mAh g⁻¹.
Ωστόσο, η διαφορά αυξήθηκε στους υψηλότερους ρυθμούς. Στο 2C, ο CBT απέδωσε 187 mAh g⁻¹, έναντι 165 mAh g⁻¹ για τον συμβατικό διαχωριστή.
Στα 4C, η κάθοδος NCM90 με τον διαχωριστή CBT έφτασε τα 163 mAh g⁻¹, ενώ ο συμβατικός διαχωριστής απέδωσε 115 mAh g⁻¹. Αυτό αντιστοιχεί σε βελτίωση περίπου 42%, δείχνοντας ότι ο διαχωριστής μπορεί να επηρεάσει την απόδοση της καθόδου, πέρα από τη σταθερότητα της ανόδου.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η απόδοση της μπαταρίας μπορεί να βελτιωθεί όχι μόνο μέσω νέων υλικών για την κάθοδο και την άνοδο, αλλά και μέσω της μηχανικής σχεδίασης του διαχωριστή.
Αυτό που ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέρον ήταν ότι η επίδραση του τροποποιημένου διαχωριστή επεκτάθηκε πέρα από την άνοδο λιθίου-μετάλλου και βελτίωσε σημαντικά την απόδοση της καθόδου NCM90 σε υψηλούς ρυθμούς», εξηγεί ο καθηγητής Ryou.
Ομαλότερη εναπόθεση λιθίου, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής
Ο διαχωριστής συνέβαλε επίσης στον έλεγχο της εναπόθεσης του λιθίου. Παρατηρήσεις σε πραγματικό χρόνο έδειξαν ότι δεν υπήρξε ορατή ανάπτυξη δενδριτών στις κυψέλες που χρησιμοποιούσαν CBT.
Αντίθετα, το λίθιο σχημάτισε ένα πιο ομαλό και συμπαγές στρώμα και απομακρυνόταν πιο ομοιόμορφα κατά την απογύμνωση (stripping).
Οι κυψέλες διατήρησαν περίπου το 60% της χωρητικότητάς τους μετά από 2.500 κύκλους στα 2C/4C. Ο διαχωριστής διατήρησε επίσης περίπου 68,9% της χωρητικότητας μετά από 150 κύκλους στους -25 °C (-13 °F), ενώ παρέμεινε σταθερός ακόμη και στους 200 °C (392 °F).
Η προσέγγιση αυτή δεν απαιτεί επανασχεδιασμό των ηλεκτροδίων και θα μπορούσε δυνητικά να ενσωματωθεί στις υφιστάμενες γραμμές παραγωγής μπαταριών. Ωστόσο, απαιτούνται ακόμη δοκιμές σε εμπορικές κυψέλες τύπου pouch και κυλινδρικές κυψέλες.
«Οι λειτουργικοί διαχωριστές δεν θα πρέπει να αντιμετωπίζονται μόνο ως φραγμοί που διαχωρίζουν τα δύο ηλεκτρόδια ή ως μέσο προστασίας της ανόδου λιθίου-μετάλλου.
Ελέγχοντας τη μεταφορά ιόντων σε ολόκληρη την κυψέλη, θα μπορούσαν να αποτελέσουν σημαντικό στοιχείο σχεδιασμού για την ταυτόχρονη επίτευξη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και λειτουργίας σε υψηλούς ρυθμούς στις μπαταρίες επόμενης γενιάς», καταλήγει ο καθηγητής Ryou.
(Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Functional Materials)
www.worldenergynews.gr
