Futurystyczne postępy w dziedzinie sztucznej inteligencji i opieki zdrowotnej przykuły uwagę podczas ekstrawaganckiej imprezy technologicznej Consumer Electronics Show (CES) 2024. Jednak technologia akumulatorów stanowi rewolucję w sercu tych innowacji, umożliwiając większą efektywność energetyczną. Co ważne, najintensywniej stosowana jest ta technologia w pojazdach elektrycznych. Dzisiejsze pojazdy elektryczne mogą przejechać około 700 km na jednym ładowaniu, podczas gdy badacze dążą do uzyskania zasięgu na akumulatorach wynoszącego 1000 km. Naukowcy intensywnie badają zastosowanie krzemu, znanego z dużej pojemności, jako materiału anodowego w akumulatorach litowo-jonowych do pojazdów elektrycznych. Jednak pomimo jego potencjału, praktyczne zastosowanie krzemu pozostaje zagadką, nad którą badacze wciąż ciężko pracują.
Wchodzą profesor Soojin Park, doktorant Minjun Je i dr Hye Bin Son z Wydziału Chemii Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Pohang (POSTECH). Złamali kod, opracowując przyjazny dla kieszeni i solidny system akumulatorów litowo-jonowych nowej generacji o dużej gęstości energii, wykorzystujący mikrocząsteczki krzemu i żelowe elektrolity polimerowe. Praca ta została opublikowana na stronach internetowych Advanced Science 17 stycznia.
Zastosowanie krzemu jako materiału na akumulator stwarza wyzwania: podczas ładowania zwiększa się on ponad trzykrotnie, a następnie kurczy się z powrotem do pierwotnego rozmiaru podczas rozładowywania, co znacząco wpływa na wydajność akumulatora. Wykorzystanie krzemu o wielkości nano (10–9 m) częściowo rozwiązuje problem, ale wyrafinowany proces produkcyjny jest złożony i astronomicznie kosztowny, co sprawia, że jest to wymagająca propozycja budżetowa. Natomiast krzem o mikrowymiarach (10-6 m) jest wyjątkowo praktyczny pod względem kosztów i gęstości energii. Jednak problem rozszerzania się większych cząstek krzemu staje się bardziej wyraźny podczas pracy na akumulatorze, co stwarza ograniczenia w jego zastosowaniu jako materiału anodowego.
Zespół badawczy zastosował żelowe elektrolity polimerowe, aby opracować ekonomiczny, a jednocześnie stabilny system akumulatorów na bazie krzemu. Elektrolit w akumulatorze litowo-jonowym jest kluczowym elementem ułatwiającym ruch jonów pomiędzy katodą i anodą. W przeciwieństwie do konwencjonalnych elektrolitów ciekłych, elektrolity żelowe występują w stanie stałym lub żelowym, charakteryzującym się elastyczną strukturą polimerową, która ma lepszą stabilność niż ich ciekłe odpowiedniki.
Zespół badawczy wykorzystał wiązkę elektronów do utworzenia wiązań kowalencyjnych pomiędzy cząsteczkami mikrokrzemu i elektrolitami żelowymi. Te wiązania kowalencyjne służą do rozpraszania naprężeń wewnętrznych spowodowanych zwiększaniem objętości podczas pracy z akumulatorem litowo-jonowym, łagodząc zmiany objętości mikrokrzemu i zwiększając stabilność strukturalną.
Wynik był niezwykły: akumulator wykazywał stabilną pracę nawet w przypadku mikrocząstek krzemu (5 μm), które były sto razy większe niż te stosowane w tradycyjnych anodach nanokrzemowych. Ponadto opracowany przez zespół badawczy układ elektrolitów krzemowo-żelowych wykazywał przewodność jonową podobną do konwencjonalnych akumulatorów wykorzystujących ciekłe elektrolity, przy około 40% poprawie gęstości energii. Co więcej, system zespołu ma znaczną wartość ze względu na prosty proces produkcyjny, który jest gotowy do natychmiastowego zastosowania.
Profesor Soojin Park podkreśliła: „Użyliśmy anody mikrokrzemowej, a mimo to mamy stabilną baterię. Te badania przybliżają nas do prawdziwego systemu baterii litowo-jonowych o dużej gęstości energii”.
Badanie to przeprowadzono przy wsparciu Programu Niezależnych Badaczy Koreańskiej Narodowej Fundacji Badawczej.