Μια μπαταρία με πάχος μόλις 2,77 μικρομέτρων θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για την τροφοδοσία φορετών ηλεκτρονικών συσκευών, μικροσκοπικών αισθητήρων και ιατρικών συσκευών. Η τεχνολογία λεπτού υμενίου αναπτύχθηκε από ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου Dongguk στη Νότια Κορέα και χρησιμοποιεί στρώματα κασσίτερου και άνθρακα για τον έλεγχο της εναπόθεσης λιθίου και τον περιορισμό των απωλειών του κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον καθηγητή Hyun-Suk Kim από το Τμήμα Ενέργειας και Επιστήμης Υλικών, συνδύασε την επίστρωση με την προσθήκη ενός επιπλέον αποθέματος λιθίου, με στόχο τη βελτίωση της σταθερότητας της μπαταρίας. Το πανεπιστήμιο ανακοίνωσε τα ευρήματα στις 3 Νοεμβρίου.
Αντιμετώπιση της ανομοιόμορφης εναπόθεσης λιθίου
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης αντικαθιστούν τους υγρούς ηλεκτρολύτες με στερεά υλικά, προσφέροντας δυνητικά πλεονεκτήματα ως προς την ασφάλεια και την ενεργειακή πυκνότητα. Ωστόσο, η ανομοιόμορφη εναπόθεση και απομάκρυνση λιθίου μπορεί να αποσταθεροποιήσει τη λειτουργία τους.
Οι σχεδιασμοί χωρίς άνοδο αντιμετωπίζουν μέρος της κατασκευαστικής πρόκλησης, επιτρέποντας στο λίθιο από την κάθοδο να εναποτίθεται σε έναν συλλέκτη ρεύματος κατά την πρώτη φόρτιση, σχηματίζοντας την άνοδο επιτόπου. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική μπορεί να απλοποιήσει την κατασκευή και να αυξήσει την ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα, ιδιαίτερα στις μπαταρίες λεπτού υμενίου.
Ωστόσο, το λίθιο μπορεί να απομονωθεί ηλεκτρικά, σχηματίζοντας το λεγόμενο «νεκρό λίθιο», ή να χάσει την επαφή του με τον στερεό ηλεκτρολύτη κατά την απομάκρυνσή του. Οι διαδικασίες αυτές μειώνουν την ποσότητα λιθίου που είναι διαθέσιμη για τους επόμενους κύκλους λειτουργίας και υποβαθμίζουν τη χωρητικότητα.
Η ομάδα του Πανεπιστημίου Dongguk διερεύνησε εάν μια επίστρωση στον συλλέκτη ρεύματος θα μπορούσε να συμβάλει στον έλεγχο αυτής της διαδικασίας. «Το ενδιάμεσο στρώμα μας λειτουργεί ως πυρήνας για τη δημιουργία πυρήνων λιθίου, προωθώντας την ομοιόμορφη εναπόθεσή του, περιορίζοντας τις απώλειες λιθίου και βελτιώνοντας την αντιστρεψιμότητα των επαναλαμβανόμενων κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης», δήλωσε ο Kim.
Ο κασσίτερος και ο άνθρακας καθοδηγούν την ανάπτυξη του λιθίου
Οι ερευνητές εξέτασαν επιστρώσεις αποκλειστικά από άνθρακα, αποκλειστικά από μέταλλο, καθώς και συνδυασμούς μετάλλου και άνθρακα. Ένα διπλό στρώμα κασσίτερου και άνθρακα πάνω σε συλλέκτη ρεύματος από χαλκό παρουσίασε τις καλύτερες συνολικές επιδόσεις μεταξύ των διαμορφώσεων που δοκιμάστηκαν, εμφανίζοντας ευνοϊκή συμπεριφορά ως προς την εναπόθεση λιθίου και τη σταθερότητα της διεπιφάνειας.
Τα δύο στρώματα επιτελούν διαφορετικές λειτουργίες. Ο κασσίτερος μειώνει το ενεργειακό φράγμα για τη δημιουργία πυρήνων λιθίου, διευκολύνοντας την έναρξη της εναπόθεσής του στη διεπιφάνεια. Το εξωτερικό στρώμα άνθρακα ρυθμίζει την επακόλουθη ανάπτυξη, περιορίζοντας δυνητικά την ανομοιόμορφη εναπόθεση και σταθεροποιώντας την περιοχή αλληλεπίδρασης μεταξύ κασσίτερου και λιθίου.
Η ομάδα εναπόθεσε επίσης ένα λεπτό στρώμα μεταλλικού λιθίου πάνω στον επικαλυμμένο συλλέκτη. Αυτό το στάδιο προλιθίωσης δημιούργησε ένα απόθεμα που αντισταθμίζει το λίθιο που χάνεται κατά τους αρχικούς κύκλους λειτουργίας.
Κατά την πρώτη εναπόθεση λιθίου, σχηματίστηκε μέσα στο ενδιάμεσο στρώμα μια τρισδιάστατη δομημένη περιοχή που περιείχε κασσίτερο και κράμα λιθίου-κασσίτερου. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η δομή αυτή θα μπορούσε να απορροφά τις μεταβολές του όγκου και του σχήματος κατά τους επόμενους κύκλους, συμβάλλοντας στη διατήρηση της επαφής και της σταθερότητας.
Υπερλεπτή τεχνολογία με προοπτικές αποθήκευσης ενέργειας
Η ολοκληρωμένη μπαταρία συνδύαζε κάθοδο οξειδίου του βαναδίου και λιθίου, στερεό ηλεκτρολύτη οξυνιτριδίου φωσφόρου και λιθίου και τον επικαλυμμένο χάλκινο συλλέκτη ρεύματος. Επέτυχε ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα 235,13 Wh/L στον 100ό κύκλο λειτουργίας, μετρούμενη με αναφερόμενο ρυθμό 0,01 C. Το συνολικό πάχος της ήταν 2,77 μικρόμετρα.
«Η προσέγγισή μας δείχνει πώς η μηχανική διεπιφανειών και η διαχείριση του αποθέματος λιθίου μπορούν να βελτιώσουν τις μπαταρίες λεπτού υμενίου χωρίς άνοδο», δήλωσε ο Kim.
«Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να υποστηρίξει την ανάπτυξη υπέρλεπτων μπαταριών για φορετά ηλεκτρονικά, αισθητήρες του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) και ιατρικές συσκευές, καθώς και μπαταριών στερεάς κατάστασης χωρίς άνοδο (ASSBs) που μπορούν να παραχθούν σε μεγάλη κλίμακα για βιομηχανικές εφαρμογές», πρόσθεσε.
Τα ευρήματα αναδεικνύουν μια μέθοδο διαχείρισης τόσο της εναπόθεσης λιθίου όσο και της διαθέσιμης ποσότητάς του στο εσωτερικό μιας υπέρλεπτης αρχιτεκτονικής μπαταρίας.
(Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Energy Materials)
www.worldenergynews.gr
