Μια γερμανοαμερικανική ερευνητική ομάδα μελέτησε τις ηλεκτροχημικές διεργασίες σε μπαταρίες ιόντων λιθίου με περισσότερες λεπτομέρειες. Ανακάλυψαν ότι το λίθιο δεν κατανέμεται ομοιόμορφα στις μπαταρίες – μια ανακάλυψη που θα βελτιώσει τη μοντελοποίηση των στοιχείων των μπαταριών.
Οι έρευνες από αυτήν την ερευνητική ομάδα έδειξαν ότι τα προϊόντα της αποσύνθεσης των υγρών ηλεκτρολυτών παρεμποδίζουν το μετακινούμενο λίθιο στην μπαταρία και ότι το λίθιο κατανέμεται άνισα στο στοιχείο. Ειδικά το τελευταίο είναι ένα σημαντικό εύρημα, δεδομένου ότι τα θεωρητικά μοντέλα, οι υπολογισμοί ή οι μετρήσεις έχουν ως επί το πλείστον υποθέσει μια ομοιόμορφη κατανομή του λιθίου.
Οι έρευνες που πραγματοποιήθηκαν στη Γερμανία, στο Πολυτεχνείο του Μονάχου (TUM), μεταξύ άλλων, αποκάλυψαν ότι το λίθιο κατανέμεται πολύ άνισα από την αρχή και ότι η ανομοιογένεια αυξάνεται ακόμη και με την πάροδο του χρόνου.
Οι ερευνητές κατέληξαν σε αυτό το συμπέρασμα με μια νέα τεχνική μέτρησης, την περίθλαση των νετρονίων. Χρησιμοποιώντας το Heinz Maier-Leibnitz Research Neutron Source (FRM II) στο TUM, οι ερευνητές μπόρεσαν να απεικονίσουν τις διεργασίες μέσα στο στοιχείο χωρίς να παρεμβαίνουν άμεσα στο ευαίσθητο σύστημα του στοιχείου της μπαταρίας.
Οι διεργασίες μέσα σε ένα στοιχείο ιόντων λιθίου, όπως η αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη ή η κατανομή του λιθίου, που συμβαίνουν κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, είναι δύσκολο να παρατηρηθούν έξω από το στοιχείο λόγω της υψηλής αντιδραστικότητας των ουσιών των στοιχείων στο οξυγόνο και την υγρασία.
Οι ερευνητές εξέτασαν ένα κυλινδρικό στοιχείο πιο προσεκτικά για τις μετρήσεις τους, τόσο σε νέα κατάσταση όσο και μετά από 600 κύκλους. Ήδη στη νέα κατάσταση, έγινε φανερό ότι τα ιόντα λιθίου και η συγκέντρωση ηλεκτρολύτη κατανέμονται άνισα όχι μόνο ακτινικά, αλλά και κατά μήκος του στοιχείου. Η κατανομή παραμένει άνιση μετά τους 600 κύκλους, ακόμη και αν η συγκέντρωση αλλάξει (τοπικά ακόμη και πολύ έντονα σε ορισμένα σημεία).
Αυτό το εύρημα μπορεί τώρα να χρησιμοποιηθεί γιατί όπως λένε οι ερευνητές, θα αποτελέσει μια σημαντική βελτίωση στη μοντελοποίηση των στοιχείων Λιθίου ιόντων. Οι ερευνητές περιγράφουν πώς, με βάση την κατανομή λιθίου, μπορούν επίσης να γίνουν νέοι υπολογισμοί σχετικά με την ικανότητα αποθήκευσης του στοιχείου ιόντων λιθίου. Εξηγούν ότι αυτά τα αποτελέσματα είναι μια σημαντική βάση για να καταστούν οι μελλοντικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες πιο αποτελεσματικές, ανθεκτικές και στιβαρές.
Όσον αφορά την απώλεια χωρητικότητας, τα πειράματα νετρονίων αποκάλυψαν μια γραμμική σχέση μεταξύ της απώλειας των μετακινούμενων ιόντων λιθίου και της αποσύνθεσης του ηλεκτρολύτη. Ο ηλεκτρολύτης μπορεί να αποσυντεθεί ως ανεπιθύμητη παρενέργεια. Τα προϊόντα της αποσύνθεσης εναποθέτουν τα άτομα λιθίου, τα οποία δεν είναι πλέον διαθέσιμα ως μεταφερόμενο λίθιο.
Το έργο χρηματοδοτήθηκε από το Κέντρο Heinz Maier-Leibnitz, το Γερμανικό Ίδρυμα Έρευνας (DFG), το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας (BMBF) και το Τεχνολογικό Κέντρο Βαυαρίας-Καλιφόρνιας (BaCaTeC), καθώς και από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ.
Πηγή: https://mediatum.ub.tum.de/
