Umožní tekuté krystaly jako elektrolyty v lithium-iontových bateriích vytvořit stabilní lithiové kovové články?

Zajímavá studie Carnegie Mellon University. Vědci navrhli použití tekutých krystalů v lithium-iontových článcích ke zvýšení jejich energetické hustoty, stability a nabíjecí kapacity. Práce ještě nepokročily, takže na jejich dokončení si počkáme minimálně pět let – pokud to bude vůbec možné.

Tekuté krystaly způsobily revoluci v displejích, nyní mohou pomoci bateriím

obsah

• Tekuté krystaly způsobily revoluci v displejích, nyní mohou pomoci bateriím
  • Tekuté krystaly jako trik k získání tekutého-pevného elektrolytu

Stručně řečeno: výrobci lithium-iontových článků se v současné době snaží zvýšit energetickou hustotu článků a zároveň zachovat nebo zlepšit výkon článků, včetně například zlepšení stability při vyšších nabíjecích výkonech. Cílem je, aby byly baterie lehčí, bezpečnější a rychleji se nabíjely. Trochu jako trojúhelník rychle-levně-dobře.

Jednou z možností, jak výrazně zvýšit měrnou energii článků (1,5-3x), je použití anod vyrobených z lithiového kovu (Li-metal).... Ne uhlík nebo křemík jako dříve, ale lithium, prvek, který je přímo zodpovědný za kapacitu článku. Problém je v tom, že toto uspořádání rychle vytváří lithiové dendrity, kovové výčnělky, které časem spojují obě elektrody a poškozují je.

Tekuté krystaly jako trik k získání tekutého-pevného elektrolytu

V současné době se pracuje na balení anod do různých materiálů, aby se vytvořil vnější plášť, který umožňuje tok iontů lithia, ale neumožňuje růst pevných struktur. Potenciálním řešením problému je také použití pevného elektrolytu - stěny, kterou dendrity neproniknou.

Vědci z Carnegie Mellon University zvolili jiný přístup: chtějí zůstat u osvědčených tekutých elektrolytů, ale na bázi tekutých krystalů. Tekuté krystaly jsou struktury, které jsou na půli cesty mezi kapalinou a krystaly, tedy pevné látky s uspořádanou strukturou. Tekuté krystaly jsou kapalné, ale jejich molekuly jsou vysoce uspořádané (zdroj).

Na molekulární úrovni je struktura tekutého krystalového elektrolytu pouze krystalickou strukturou a tím blokuje růst dendritů. Stále však máme co do činění s kapalinou, tedy fází, která umožňuje proudění iontů mezi elektrodami. Růst dendritů je blokován, zátěže musí proudit.

To se ve studii nezmiňuje, ale tekuté krystaly mají ještě jednu důležitou vlastnost: jakmile je na ně přivedeno napětí, mohou být uspořádány v určitém pořadí (jak můžete vidět například při pohledu na tato slova a hranici mezi černým písmena a světlé pozadí). Může se tedy stát, že když se článek začne nabíjet, molekuly tekutých krystalů budou umístěny pod jiným úhlem a „seškrábou“ dendritické usazeniny z elektrod.

Vizuálně to bude připomínat uzavření klapek, řekněme, ve ventilačním otvoru.

Nevýhodou situace je, že Carnegie Mellon University právě zahájila výzkum nových elektrolytů... Je již známo, že jejich stabilita je nižší než u běžných kapalných elektrolytů. K degradaci buněk dochází rychleji a to není směr, který nás zajímá. Je však možné, že se problém časem vyřeší. Navíc neočekáváme, že se sloučeniny v pevné fázi objeví dříve než v druhé polovině dekády:

> LG Chem používá sulfidy v buňkách v pevné fázi. Komercializace pevného elektrolytu nejdříve v roce 2028

Úvodní foto: Lithiové dendrity se tvoří na elektrodě mikroskopického lithium-iontového článku. Velká tmavá postava nahoře je druhá elektroda. Počáteční „bublina“ atomů lithia v určitém okamžiku vystřelí a vytvoří „fúzi“, která je základem vznikajícího dendritu (c) PNNL Unplugged / YouTube:

Toto by vás mohlo zajímat: