Od prijenosnih računala do pametnih telefona do rastuće industrije električnih automobila, naš se svijet sve više oslanja na punjive baterije. Ali kao što zna svatko tko je vlasnik prijenosnog računala duže od nekoliko godina, baterije na kraju gube sposobnost da se potpuno napune.
Znanstvenici nikada nisu razumjeli zašto se to događa, što je učinilo težak problem popraviti. No, prema paru nedavnih studija istraživača američkog Ministarstva energetike, objavljenom u časopisu Nature Communications, možda ćemo biti ikad bliži bateriji koja se ne degradira.
Radeći posebno s litij-ionskim baterijama, koje se obično koriste u uređajima za potrošače zbog njihove male težine i velikog kapaciteta, znanstvenici su preslikali postupak punjenja i pražnjenja na milijarde metara kako bi bolje razumjeli kako funkcionira degradacija. Otkrili su dva krivca u degradaciji baterije. Prvo: mikroskopske ranjivosti u materijalu akumulatora slučajno upravljaju litijevim ionima kroz stanicu, erodirajući bateriju na naizgled slučajne načine, slično kao što se hrđa širi nesavršenostima u čeliku. U drugoj studiji, usredotočenoj na pronalaženje najbolje ravnoteže između napona, kapaciteta skladištenja i maksimalnih ciklusa punjenja, istraživači nisu otkrili samo slične probleme s protokom jona, već i sitne nakupine nanocrnih kristala zaostalih kemijskim reakcijama, koje uzrokuju protok jona postaje još nepravilniji nakon svakog punjenja. Baterije rade na većim naponima također su doveli do više nepravilnosti ionskog puta, a time i do brže propadanja baterije.
Povezani sadržaj
- Električni automobili mogu učiniti gradove hladnijima
Možda se čini da su znanstvenici trebali potpuno razumjeti bateriju - tehnologiju koja učinkovito postoji još od 1800. - desetljećima. No Huolin Xin, znanstvenik za materijale u Brookhaven Lab-u i koautor na obje studije, kaže da je dobitna kombinacija novih tehnologija tek nedavno postala dostupna.
"Mnogi suvremeni alati za karakterizaciju, poput elektronskih mikroskopa ispravljenih aberacijom i nove tehnike X-zraka sinhrotrona, nisu bili dostupni prije 10 godina", kaže Xin. Ali sada se, kaže, mogu primijeniti na proučavanju litij-ionskih baterija.
Novi podaci pružaju istraživačima jasniju sliku o funkcioniranju ovih baterija, što bi moglo dovesti do dugotrajnih baterija u potrošačkoj elektronici u ne tako dalekoj budućnosti. Ali, to ujedno predstavlja i nove probleme. Xin kaže kako je maksimiziranje površine važno za rad baterije, ali veća površina također olakšava degradaciju.
"Kako bismo spriječili [degradaciju površine], katodu možemo obložiti zaštitnim slojem, " kaže Xin, "ili sakriti te površine stvarajući granice unutar praška veličine mikrona [unutar ćelije]."
Pronalaženje najučinkovitijih i najisplativijih načina za to biti će dio buduće faze istraživanja.
No, Daniel Abraham, znanstvenik usmjeren na istraživanje litij-ionskih baterija u Nacionalnom laboratoriju Argonne izvan Chicaga, skeptičan je da nove studije predstavljaju pravi pomak. Kaže da je rad na kartografiji sličnih materijala odrađivan u prošlosti, uključujući i njegov tim prije otprilike 12 godina. Također vjeruje da degradacija baterije može biti više od onoga što su otkrile nove studije.
"Pokušavaju uspostaviti povezanost između degradacije performansi i slika koje vide, a što možda nije tačno", kaže Abraham. "Djelomično je to priča, ali mislim da to nije cijela priča."
Xin, više je optimističan da će rad dovesti do poboljšanja baterije, ne samo za buduća električna vozila, već i za prijenosnu elektroniku.
"Litij-nikal-mangan-kobalt-oksidna katoda nedavno je identificirana kao jedini komercijalno održiv materijal za litij-ionske baterije nove generacije", kaže Xin. "Rješavanjem problema s razgradnjom, možemo smanjiti baterije sljedeće generacije i učiniti ih pouzdanim punjenjem i pražnjenjem."
Dvojica stručnjaka za bateriju slažu se da je za mnoge važne buduće aplikacije pronalazak načina da se baterije ne istroše tako brzo jednako važno kao i stvaranje baterija koje imaju veći kapacitet.
Xin ističe da kupci električnih automobila opravdano brinu o kvaru baterije nakon što im istekne jamstvo. Abraham napominje da iako vam je potrebno samo nekoliko godina performansi vašeg pametnog telefona ili tableta, za električna vozila većina vlasnika traži bateriju koja traje 10 do 15 godina. A za upotrebu u električnoj mreži (za pohranjivanje viška energije proizvedene izvan radnog vremena), baterije trebaju trajati 30 ili više godina.
Zbog toga je mnogo bolja izrada baterije za prijenosno računalo od rješavanja problema s dugovječnošću na drugim područjima.
"Dobro je imati veću energetsku gustoću, ali ako dobijete visoku gustoću energije, ali ne i dug životni vijek, komercijalna održivost tih tehnologija dolazi u pitanje", kaže Abraham. "Dok, ako pokažete da imate novu tehnologiju i da može trajati između dvije i 30 godina, to postaje komercijalno održivo odmah."
Iako će Xin i njegovi kolege istraživačima pomoći da naprave baterije koje se ne razgrađuju tako brzo, jasno je da će biti potrebni dodatni proboj prije nego što vidimo akumulatorske baterije koje traju desetljeće ili više, bez ozbiljnog trošenja.
