Snímky s vysokým rozlišením, které pořídili výzkumníci v Americe v Národní severovýchodní pacifické laboratoři (PNNL) v Oddělení energií (DOE), ukázaly, že nanomateriály, ze kterých se baterie skládají, jsou uvnitř pokroucené a zničené právě opakovaným tlakem nabíjení. Tyto objevy nám nabízí nový vhled do výzkumu nových, odolnějších materiálů, které by mohly zajistit bateriím delší životnost. Výsledky byly vydány v posledním čísle časopisu Science.
Lithiové ionty jsou přirozeně přitahovány elektrony - to je princip za dobíjecími lithioiontovými bateriemi. Kladně nabité ionty lithia normálně visí v kladné elektrodě baterie, kde oxid kovu sdílí elektrony s lithiem.
Ale dobíjení všechno převrátí. Když se baterie dobíjí, volné elektrony jsou vystřeleny k záporné elektrodě, která se nachází na opačném konci elektrolytu, kterým lithiové ionty projdou, ale elektrony ne. Lithium teď chce elektrony na záporné elektrodě víc, než elektrony, které sdílí s oxidem kovu na elektrodě kladné, tudíž lithiové ionty proudí z kladného konce, aby se spárovaly s volnými elektrony na záporné elektrodě.
Pokud je ovšem přístroj, který používá baterii, zapnutý, umožňuje elektronům vyklouznout ze záporné elektrody a nechává tím lithiové ionty samotné. Lithiové ionty se však bez volných elektronů vrací nazpět ke kladné elektrodě.
Výzkum PNNL odhaluje, že tento pohyb lithiových iontů sem a tam je na strukturu uvnitř baterie velmi namáhavý. Když se tyto nanodrátky nabijí elektřinou, začnou měnit svůj tvar - zvětšují se, prodlužují a stáčí do spirálek.
Zjistilo se, že nanodrátky záporných elektrod se působením lithiových iontů třikrát zvětšily a dvakrát prodloužily. Vědci tvrdí, že tlak na tyto nanodrátky je nakonec může zničit, jak se menší vady postupem času nastřádají.
Ukázalo se také, že lithiové ionty změnily nanodráty oxidu kovu (v tomto případě cínu) z dokonale uspořádaného krystalu do „amorfního sklovitého materiálu", jak jej výzkumníci popsali. V něm už atomy nebyly uspořádané.
„Nanodráty oxidu cínu byly mnohem odolnější proti deformacím působením elektrického toku než celistvý blok oxidu cínu, což je vlastně křehká keramika. Připomíná mi to výrobu ocelového lana - taky spletete víc tenčích drátů, než abyste vytvořili jedno tlusté lano," uvedl Chongmin Wang, vědecký výzkumník materiálů z PNNL, v prohlášení k projektu.
Wangovi, chemikovi Wu Xu a dalším se již v minulosti podařilo zachytit snímek částečně nabitého, většího nanodrátu, tenkého jednu setinu šířky lidského vlasu, nicméně tento projekt neukázal požadovaný nabíjecí proces.
Wang a Xu požádali o pomoc další laboratoře, aby mohli pozorovat dynamiku nabíjení elektrody. Použili speciálně vyrobený elektronový mikroskop k pozorování miniaturní baterie, která umožnila badatelům vidět i ty nejmenší dráty během nabíjení.
Tým použil baterii, jejíž kladnou elektrodu tvořil lithiový oxid kobaltu a negativní elektrodu tvořily tenké nanodráty oxidu cínu. Elektrolyt mezi nimi poskytnul volný tok lithiovým iontům a vytvořil bariéru elektronům. Elektrolyt byl přitom navržen tak, aby odolával podmínkám v mikroskopu.
Když poté tým nabil miniaturní baterii stálým napětím, lithiové ionty se rozeběhly skrz vlákna z oxidu cínu, přitahovány elektrony k záporné elektrodě. Objevili, že vlákno se zvětšilo a prodloužilo o 250 procent v celkové velikosti a zklikatilo se jako had.
Wang doufá, že jejich práce přinese nové nápady pro uchování energie a inspiruje design nových baterií.
