Na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, istraživački tim predvođen Xin Li razvio je naprednu litijevu metalnu bateriju koja predstavlja značajan iskorak u tehnologiji baterija. Ova baterija, sposobna za više od 6000 ciklusa punjenja i pražnjenja, premašuje performanse bilo koje trenutno dostupne baterije na tržištu. Značajno je i to što se ova baterija može brzo napuniti, čime se otvara mogućnost njenog širokog komercijalnog korištenja.

Ovaj znanstveni podvig nije samo rezultat razvoja nove tehnologije proizvodnje baterija s litijevom metalnom anodom, već i plod temeljitog proučavanja i razumijevanja materijala korištenih u izradi ovih potencijalno revolucionarnih baterija. Rad tima, objavljen u Nature Materials, ne samo da predstavlja značajan napredak u polju energetike već i otvara nove puteve za daljnja istraživanja i primjene u različitim industrijama.

Prema izjavi Xin Li, litijeve metalne anode predstavljaju 'sveti gral' u svijetu baterija zbog njihove izvanredne sposobnosti pohrane energije koja je deset puta veća od kapaciteta trenutno korištenih grafitnih anoda. Ovaj aspekt je posebno važan za industriju električnih vozila, gdje bi povećanje kapaciteta baterija moglo značajno utjecati na autonomiju vožnje. Li naglašava da je njihovo istraživanje ključni korak prema razvoju dugotrajnih i efikasnih čvrstih baterija koje bi mogle imati široke komercijalne primjene.

Jedan od glavnih izazova u dizajniranju ovih baterija je problem dendrita koji se formiraju na površini anode. Ove strukture, koje nalikuju korijenju, rastu kroz elektrolit i mogu dovesti do kratkog spoja ili čak zapaljenja baterije. Dendriti nastaju tijekom procesa punjenja, kad se litijevi ioni kreću od katode prema anodi, stvarajući neravnu površinu koja doprinosi njihovom rastu.

U svom ranijem radu 2021. godine, Li i njegov tim predložili su rješenje ovog problema kroz dizajn višeslojne baterije koja koristi različite materijale za sprječavanje prodiranja litijevih dendrita. Iako ovaj dizajn nije u potpunosti eliminirao dendrite, omogućio je njihovu kontrolu. U njihovom najnovijem istraživanju, tim je primijenio čestice silicija mikronske veličine u anodi, čime su suzbili stvaranje dendrita kroz usmjerenu reakciju litijiranja i ravnomjerno nanošenje debelog sloja metalnog litija.

Ovo otkriće ne samo da predstavlja značajan napredak u tehnologiji baterija, već također otvara vrata za daljnji razvoj i primjenu u raznim područjima, od električnih vozila do mobilnih uređaja i izvan njih. Svojim radom, tim s Harvarda pokazuje da je kroz inovaciju i istraživanje moguće riješiti neke od najvećih izazova današnjice u području energetske učinkovitosti i održivosti.

Ovaj dizajn omogućava bateriji da se puni i prazni preko 6000 puta, što je značajno više u usporedbi s bilo kojom trenutno dostupnom baterijom. Jedna od ključnih inovacija ovog dizajna je proces litijiranja koji je sužen na površini čestica silicija, stvarajući efekt sličan tvrdoj čokoladnoj ljuski oko jezgre lješnjaka, kako je to slikovito opisao Xin Li.

Za razliku od tradicionalnih litij-ionskih baterija gdje litijevi ioni prodru u duboku reakciju litijiranja, uništavajući čestice silicija u anodi, u novom dizajnu baterije u čvrstom stanju, litijevi ioni su ograničeni na površinu silicija. Ovo omogućava dinamički proces litiranja u kojem se formira litijeva metalna oplata oko jezgre silicija. Rezultat je homogena površina na kojoj je gustoća struje ravnomjerno raspoređena, čime se sprječava rast dendrita.

Zahvaljujući ovom dizajnu, baterija može biti ponovno napunjena za samo 10 minuta. Tim je uspio izraditi verziju baterije veličine poštanske marke u vrećici, koja zadržava 80% kapaciteta nakon 6000 ciklusa, nadmašujući performanse većine baterija dostupnih na tržištu danas. Ova tehnologija je licencirana preko Harvardskog ureda za tehnološki razvoj za Adden Energy, harvardsku spinoff tvrtku koju su osnovali Li i trojica harvardskih alumnija, i koja je već povećala tehnologiju za izradu baterija veličine pametnog telefona.

Osim toga, Li i njegov tim su istražili i karakterizirali svojstva silicija koja ograničavaju difuziju litija, što olakšava homogeno nanošenje debelog sloja metalnog litija. Tim je također definirao jedinstveni deskriptor svojstava za ovaj proces i izračunao ga za sve poznate anorganske materijale. Kroz ovo istraživanje, otkrili su desetke drugih materijala koji bi mogli pružiti sličnu izvedbu. Li ističe da su prethodna istraživanja pokazala da i drugi materijali, uključujući srebro, mogu biti dobri kandidati za anode u čvrstim baterijama. Njihov rad pruža temelj za razumijevanje mehanizama procesa i stvaranje novih materijala za dizajn baterija.

Istraživanje su koautori Luhan Ye, Yang Lu, Yichao Wang i Jianyuan Li, a podržali su ga Ured za tehnologiju vozila Ministarstva energije, Harvard Climate Change Solutions Fund i Harvard Data Science Initiative Fund. Ovo otkriće predstavlja značajan korak naprijed u razvoju održivijih i efikasnijih izvora energije, te otvara nove mogućnosti za budućnost energetike.

Izvor: Harvard University