Од лаптопа до паметних телефона до растуће индустрије електричних аутомобила, наш свет се све више ослања на пуњиве батерије. Али као што зна свако ко је лаптоп имао више од неколико година, батерије на крају губе способност да се потпуно напуне.
Научници никада нису заиста схватили зашто се то дешава, због чега је то било тешко решити. Али према пару недавних студија истраживача америчког Министарства енергетике, објављеном у часопису Натуре Цоммуницатионс, можда ћемо бити ближи него икад батерији која се не деградира.
Радећи посебно са литијум-јонским батеријама, које се обично користе у уређајима за потрошаче због њихове мале тежине и великог капацитета, научници су пресликали процес наелектрисања и пражњења на милијарде метара, како би боље разумели како деградација делује. Открили су два кривца за деградацију батерије. Прво: микроскопске рањивости у материјалу батерија случајно управљају литијумским јонима кроз ћелију, еродирајући батерију на привидно случајним начинима, слично као што се хрђа шири преко несавршености у челику. У другој студији, фокусираној на проналажење најбоље равнотеже између напона, капацитета складиштења и максималних циклуса наелектрисања, истраживачи нису открили само сличне проблеме са протоком јона, већ и ситним нагомилавањем кристала нано-скале које су заостале хемијске реакције, што изазива проток јона постаје још неправилнији након сваког пуњења. Батерије раде на већим напонима такође је довело до већих неправилности путања јона, а тиме и до брже пропадања батерије.
Сличан садржај
- Електрични аутомобили могу учинити градове хладнијима
Можда се чини да су научници требали потпуно разумјети батерију - технологију која ефективно постоји од пре 1800 - деценијама. Али Хуолин Ксин, научник за материјале у Броокхавен Лаб и коаутор на обе студије, каже да је добитна комбинација нових технологија тек недавно постала доступна.
„Многи врхунски алати за карактеризацију, попут електронских микроскопа са корекцијом аберације и нових синхротронских рендгенских техника, нису били доступни пре 10 година“, каже Ксин. Али сада, каже, они се могу применити за проучавање литијум-јонских батерија.
Нови подаци пружају истраживачима јаснију слику како раде ове батерије, што би могло довести до дуготрајних батерија у потрошачкој електроници у не тако далекој будућности. Али, то представља и нове проблеме. Ксин каже да је максимизирање површине важно за перформансе батерије, али већа површина такођер вјероватно олакшава деградацију.
"Да бисмо спречили [деградацију површине], катоду можемо обложити заштитним слојем, " каже Ксин, "или сакрити те површине стварајући границе унутар прашка величине микрона [унутар ћелије]."
Проналажење најефикаснијих, економичнијих начина да се то постигне биће део будуће фазе истраживања.
Али Даниел Абрахам, научник фокусиран на истраживања литијум-јонских батерија у Националној лабораторији Аргонне изван Чикага, скептичан је да нове студије представљају прави помак. Каже да је рад на мапирању сличних материјала радио и у прошлости, укључујући и његов тим пре око 12 година. Такође верује да деградација батерије може бити више од онога што су откриле нове студије.
„Покушавају да успоставе повезаност између деградације перформанси и слика које виде, што можда није тачно“, каже Абрахам. "То је делимично прича, али мислим да то није цела прича."
Ксин, оптимистичнији је да ће рад довести до побољшања батерија, не само за будућа електрична возила, већ и за преносну електронику.
"Литијум-никал-манган-кобалт-оксид оксид је недавно идентификован као једини комерцијално одржив материјал за литијум-јонске батерије нове генерације", каже Ксин. „Решавањем проблема са деградацијом, можемо да направимо мање батерије следеће генерације и учинимо их поузданим пуњењем и пражњењем.“
Два стручњака за батерије слажу се ипак да је за многе важне будуће примене проналазак начина да се батерије не истроше тако брзо једнако важно као и стварање батерија са већим капацитетом.
Ксин истиче да купци електричних аутомобила оправдано брину о квару батерије након што им истекне гаранција. Абрахам напомиње да иако вам је потребно само неколико година перформанси вашег паметног телефона или таблет рачунара, за електрична возила већина власника тражи батерију која траје 10 до 15 година. А за употребу у електричној мрежи (за складиштење вишка енергије произведене у ван шок-сатима) батерије би требале трајати 30 или више година.
Због тога је изградња боље батерије за лаптоп много лакша него решавање проблема дугог живота у другим областима.
"Добро је имати већу густину енергије, али ако добијете високу густину енергије, али не и дуг животни век, онда комерцијална одрживост тих технологија долази у питање", каже Абрахам. „Док, ако покажете да имате нову технологију и она може трајати између две и 30 година, то постаје комерцијално одрживо.“
Иако ће рад Ксина и његових колега можда помоћи истраживачима да направе батерије које се не разграђују тако брзо, јасно је да ће бити потребни додатни пробој прије него што видимо акумулаторске батерије које трају деценију или више без озбиљног трошења.
