Kako vratiti u život ispražnjene litijumske baterije?

Naučnici američkog Odeljenja za energetiku Nacjonalne akceleratorske laboratorije (SLAC) i Univerziteta Stanford na dobrom su putu da pronđu način za revitalizaciju punjivih litijumskih baterija. To bi moglo značajno da poveća domet električnih vozila i vek trajanja baterija u elektronskim uređajima sledeće generacije.

Kako se litijumske baterije troše, mali količine neaktivnog litijuma, odvojenog od elektroda, se akumuliraju, smanjujući tako kapacitet baterija za skladištenje energije.

Naučnici su, međutim, otkrili da bi mogli da podstaknu neaktivni litijum da "kao crv gmiže" prema jednoj od elektroda dok se sa njom ponovno ne poveže. Tim dodatnim korakom oni su usporili trošenje baterije i povećali njen vek trajanja za gotovo 30 odsto.

Bezbednije baterije, brže punjenje, duže trajanje

"Istražujemo mogućnosti za potencijalno vraćanje izgubljenih kapaciteta litijum-jonskih baterija koristeći veoma brzo pražnjenje", kaže Fang Liu, postdoktorantkinja na Stanfordu, glavna autorka studije nedavno objavljene u časopisu Nature.

Mnoga istraživanja usmerena su na traženje načina za izradu punjivih baterija, koje će biti lakše, imati duži vek trajanja, biti bezbednije i moći brže da se pune od litijum-jonskih, koja se trenutno koristi u pametnim telefonima, prenosnim računalima i električnim vozilima.

Posebna pažnja poklanja se razvoju litijum-metalnih baterija, koje bi mogle da uskladište više energije po zapremini ili težini. Tako bi, na primer, u električnim automobilima takve baterije sledeće generacije mogle da povećaju domet vozila nakon punjenja, a možda čak i da zauzimaju manje prostora nego sadašnja rešenja.

Litijum se ne povezuje sa elektrodama

Obe vrste baterija, litijum-jonske i litijum-metalne koriste pozitivno naelektrisane jone litijuma koji se pomeraju napred-nazad između elektroda. Tokom upotrebe, neki od tih jona kod litijum-metalnih baterija postaju elektrohemijski neaktivni, stvarajući tako izlovana delove litijuma unutar baterije koji se više ne povezuju sa elektrodama.

To dovodi do gubitka kapaciteta što je poseban je problem za litijum-metalnu tehnologiju, kao i za brzo punjenje litijum-jonskih baterija. Naučnici su, međutim, u novoj studiji, pokazali da mogu da pokrenu i oporave taj  izolovani litijum kako bi produžili vek trajanja baterija.

"Uvek sam smatrao da je izolovani litijum loš za baterije, jer izaziva njihovo propadanje, a čak može da dovede i do paljenja", ističe Ji Cui, profesor na Stanfordu i SLAC koji je vodio istraživanje. "Otkrili smo, međutim, kako da električnim putem spojimo 'umrtvljeni' litijum sa negativnom elektrodom da bismo ga ponovno aktivirali."

Ideja za studiju je nastala tako što je Cui nagađao da bi primena napona na katodu i anodu baterije mogla da podstakne izolovani litijum na fizičko kretanje između elektroda. Svoju pretpostavku je i dokazao sa saradnicima tokom eksperimenata.

Gmizanje "litijumskog crva"

Naučnici su konstruisali optičku ćeliju sa litijum-nikal-kobalt-oksid (NMC) katodom, litijumskom anodom i izolovanim litijumskim delom između. Taj eksperimentalni uređaj im je omogućio da u realnom vremenu prate šta se događa unutar baterije dok se ona koristi.

Otkrili su da izolovani deo litijuma uopšte nije "mrtav", već da reaguje na rad baterije. Prilikom punjenja ćelije, "umrtvljeni" litijum se polako kretao prema katodi, a prilikom pražnjenja se pokretao u suprotnom smeru.

"To izgleda kao veoma spor crv koji gura glavom napred i povlači rep za sobom, kako bi se pomerao nanometar za nanometrom", rekao je Cui. Tako bi se na kraju, možda, mogao uspostaviti električni tok, ako bi kretanje litijumskog crva uspelo neprestano da se održi, kako bi on na kraju svog puta dodirno anodu i uspostavio strujno kolo.

Rezultati, do kojih su naučnici došli eksperimentisanjem sa nekoliko testnih baterija, kao i računarskim simulacijama, takođe su pokazali da se izmenom načina punjenja izolovani litijum može oporaviti i u pravoj bateriji.