Baterie tracą pojemność z czasem, dlatego starsze telefony komórkowe szybciej się rozładowują. To powszechne zjawisko nie jest jednak do końca poznane.
Teraz międzynarodowy zespół badaczy, kierowany przez inżyniera z University of Colorado Boulder, ujawnił mechanizm leżący u podstaw takiej degradacji baterii. Ich odkrycie może pomóc naukowcom opracować lepsze baterie, które umożliwią pojazdom elektrycznym dłuższe i dłuższe działanie, a także rozwijać technologie magazynowania energii, które przyspieszą przejście na czystą energię.
Wyniki badań opublikowano 12 września w czasopiśmie Science.
„Pomagamy rozwijać baterie litowo-jonowe, odkrywając procesy na poziomie molekularnym związane z ich degradacją” — powiedział Michael Toney, autor korespondencyjny artykułu i profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biologicznej. „Posiadanie lepszej baterii jest bardzo ważne w przechodzeniu naszej infrastruktury energetycznej z paliw kopalnych na bardziej odnawialne źródła energii”.
Inżynierowie od lat pracują nad projektowaniem baterii litowo-jonowych — najpopularniejszego typu baterii akumulatorowych — bez kobaltu. Kobalt jest drogim, rzadkim minerałem, a jego proces wydobywczy wiąże się z poważnymi problemami środowiskowymi i prawami człowieka. W Demokratycznej Republice Konga, która dostarcza ponad połowę światowego kobaltu, wielu górników to dzieci.
Do tej pory naukowcy próbowali używać innych pierwiastków, takich jak nikiel i magnez, aby zastąpić kobalt w bateriach litowo-jonowych. Jednak te baterie mają jeszcze wyższe wskaźniki samorozładowania, co ma miejsce, gdy wewnętrzne reakcje chemiczne baterii zmniejszają zmagazynowaną energię i obniżają jej pojemność w miarę upływu czasu. Ze względu na samorozładowanie większość baterii EV ma żywotność od siedmiu do dziesięciu lat, zanim trzeba je będzie wymienić.
Toney, który jest również członkiem Renewable and Sustainable Energy Institute, wraz ze swoim zespołem postanowił zbadać przyczynę samorozładowania. W typowej baterii litowo-jonowej jony litu, które przenoszą ładunki, przemieszczają się z jednej strony baterii, zwanej anodą, na drugą stronę, zwaną katodą, przez medium zwane elektrolitem. Podczas tego procesu przepływ tych naładowanych jonów tworzy prąd elektryczny, który zasila urządzenia elektroniczne. Ładowanie baterii odwraca przepływ naładowanych jonów i zwraca je do anody.
Wcześniej naukowcy uważali, że baterie ulegają samoczynnemu rozładowaniu, ponieważ nie wszystkie jony litu powracają do anody podczas ładowania, co zmniejsza liczbę naładowanych jonów dostępnych do formowania prądu i dostarczania energii.
Korzystając z Advanced Photon Source, potężnego urządzenia rentgenowskiego, w Argonne National Laboratory w Illinois, należącym do amerykańskiego Departamentu Energii, zespół badawczy odkrył, że cząsteczki wodoru z elektrolitu baterii przemieszczają się do katody i zajmują miejsca, do których normalnie wiążą się jony litu. W rezultacie jony litu mają mniej miejsc do wiązania się na katodzie, co osłabia prąd elektryczny i zmniejsza pojemność baterii.
Transport jest największym pojedynczym źródłem gazów cieplarnianych generowanych w USA, stanowiąc 28% emisji kraju w 2021 r. W celu zmniejszenia emisji wielu producentów samochodów zobowiązało się do odejścia od opracowywania samochodów benzynowych na rzecz produkcji większej liczby pojazdów elektrycznych. Jednak producenci pojazdów elektrycznych stają przed wieloma wyzwaniami, w tym ograniczonym zasięgiem jazdy, wyższymi kosztami produkcji i krótszą żywotnością baterii niż w przypadku pojazdów konwencjonalnych. Na rynku amerykańskim typowy samochód całkowicie elektryczny może przejechać około 250 mil na jednym ładowaniu, co stanowi około 60% czasu samochodu benzynowego. Nowe badanie ma potencjał rozwiązania wszystkich tych problemów, powiedział Toney.
„Wszyscy konsumenci chcą samochodów o dużym zasięgu. Niektóre z tych baterii o niskiej zawartości kobaltu mogą potencjalnie zapewnić większy zasięg, ale musimy również upewnić się, że nie rozpadną się w krótkim czasie” – powiedział, zauważając, że zmniejszenie ilości kobaltu może również obniżyć koszty i rozwiązać problemy związane z prawami człowieka i sprawiedliwością energetyczną.
Dzięki lepszemu zrozumieniu mechanizmu samorozładowania inżynierowie mogą zbadać kilka sposobów zapobiegania temu procesowi, np. poprzez pokrycie katody specjalnym materiałem blokującym cząsteczki wodoru lub zastosowanie innego elektrolitu.
„Teraz, gdy wiemy, co powoduje degradację baterii, możemy poinformować społeczność zajmującą się chemią baterii o tym, co należy poprawić podczas projektowania baterii” — powiedział Toney.