Skrytá vrstva baterie byla odhalena

Datum 02.12.2018

Mezinárodní tým učinil zásadní krok k pochopení reakcí mikroskopicky tenké vrstvy, která se vytváří mezi kapalným elektrolytem a pevnou elektrodou v lithium-iontových bateriích. Výsledky budou použity pro zlepšování vrstvy a přesnější předvídání životnosti baterie.

Komerčně dostupná již od sedmdesátých let minulého století, je nyní lithium-iontová baterie zdrojem energie v mnoha výrobcích od mobilních telefonů až po automobily. Přesto, procesy probíhající na atomové a molekulární úrovni během nabíjení a vybíjení zůstávají záhadou.

V nové studii publikované v Nature Catalysis uvádí tým z Argonne National Laboratory, amerického ministerstva energetiky (DOE), průlom v pochopení chemických procesů mikroskopicky tenké vrstvy, která se tvoří na rozhraní mezi kapalným elektrolytem a pevnou elektrodou. Výzkumníci v oblasti baterií obvykle označují tuto vrstvu jako “pevnou elektrolytickou mezifázi” nebo SEI.

Mnoho vědeckého úsilí za posledních několik desetiletí bylo věnováno porozumění SEI v lithium-iontové baterii. Vědci vědí, že SEI se tvoří na grafitové negativní elektrodě, je extrémně tenká (méně než tisícina milimetru) a primárně se tvaruje při prvním nabití baterie. Rovněž je dobře známo, že SEI zabraňuje vzniku škodlivých reakcí na rozhraní a současně umožňuje volný pohyb iontů mezi elektrolytem a elektrodou.

„Výkon baterie je vysoce závislý na kvalitě SEI. Pokud bude pochopena chemie a role jednotlivých složek SEI, zlepší se tím i výkon baterie,“ poznamenal Dušan Strmčník – chemický inženýr v divizi materiálů a dodal: „Ještě důležitější je, že takové porozumění by výrazně zpřesnilo schopnost předpovídat životnost baterie, což je pro výrobce elektrického automobilu nesmírně významná hodnota.“

Na bližším porozumění těchto chemických procesů se podílí mezinárodní tým výzkumníků, který zahrnuje spolupracovníky z Kodaňské univerzity, Technické univerzity v Mnichově a společnosti BMW Group. Na základě experimentálních i výpočetních výsledků jejich zjištění prokázaly, že fáze nabíjení baterie vytváří elektrochemickou reakci fluorovodíku, čímž vzniká plynný vodík a pevný fluorid lithný.

Tato reakce velmi závisí na materiálu elektrody, který může být kovový, grafenový nebo grafitový. Tým objevil novou metodu monitorování koncentrace fluorovodíku, jako nečistoty, která vzniká reakcí mezi stopovým množstvím vlhkosti a solí (LiPF6) v elektrolytu. Tato schopnost sledování by se měla ukázat jako zásadní pro budoucí základní vědecké studie SEI. Tyto vědecké výsledky mají také komerční dopad.

„Výsledky našich studií se již implementují v lithium-iontových článcích ve společnosti BMW Group. Otevírají také nové možnosti pro zlepšení stávajících lithium-iontových technologií,“ sdělil Nenad Markovic, člen týmu projektu.