Nowy pomysł na baterie. Naukowcy skupili się nie na elektrodach, ale na elektrolicie

Badania nad nowymi bateriami zwykle koncentrują się na materiałach elektrod - to one odpowiadają za magazynowanie energii. Tym razem naukowcy postanowili jednak przyjrzeć się innemu elementowi ogniwa. Chodzi o elektrolit, czyli substancję, która przenosi jony litu pomiędzy elektrodami i umożliwia działanie baterii.

Zespół badaczy opracował nowy system rozpuszczalników oparty na związkach fluorowanych. Według opublikowanych wyników takie rozwiązanie może znacząco zwiększyć gęstość energii baterii litowo-metalowych. W testach laboratoryjnych osiągnięto wartości przekraczające 700 Wh/kg w temperaturze pokojowej. Co ważne, ogniwa zachowywały dobrą wydajność także w bardzo niskich temperaturach - około 400 Wh/kg nawet przy -50°C.

Wyniki badań opisano w czasopiśmie naukowym Nature.

Dlaczego elektrolit jest tak ważny

Elektrolit w baterii odpowiada za transport jonów litu pomiędzy elektrodami podczas ładowania oraz rozładowywania. To od jego właściwości zależy między innymi szybkość ładowania, stabilność baterii, a także to, czy ogniwo działa poprawnie w niskich lub wysokich temperaturach.

Zespół badaczy opracował nowy system rozpuszczalników oparty na związkach fluorowanych. Według opublikowanych wyników takie rozwiązanie może znacząco zwiększyć gęstość energii baterii litowo-metalowych. W testach laboratoryjnych osiągnięto wartości przekraczające 700 Wh/kg w temperaturze pokojowej.

Przez lata w bateriach stosowano głównie rozpuszczalniki zawierające atomy tlenu lub azotu. Takie związki dobrze wiążą jony litu i zapewniają stabilność chemiczną, aczkolwiek mają też swoje ograniczenia. Silne wiązanie jonów spowalnia ich ruch, przez co pogarsza się szybkość reakcji w baterii. Dodatkowo takie elektrolity często słabo radzą sobie w bardzo niskich temperaturach.

Naukowcy od dawna próbowali zmienić strukturę tych rozpuszczalników, aby poprawić ich właściwości, jednak wiele modyfikacji powodowało inne problemy, na przykład zwiększoną lepkość lub gorszą pracę w zimnie.

Nowe podejście do chemii baterii

Autorzy badań postanowili spróbować innej drogi. Zamiast skupiać się na tlenie lub azocie, zwrócili uwagę na związki zawierające fluor. W teorii odpowiednio zaprojektowane cząsteczki fluorowane mogą wiązać jony litu słabiej i bardziej kontrolowanie. Dzięki temu jony mogłyby przemieszczać się szybciej, co poprawiłoby wydajność baterii.

Aby sprawdzić tę koncepcję, naukowcy stworzyli sześć różnych rozpuszczalników opartych na fluorowanych węglowodorach. Następnie przetestowali je w małych ogniwach laboratoryjnych oraz w większych ogniwach typu pouch, które bardziej przypominają konstrukcję baterii używanych w elektronice i samochodach elektrycznych.

Okazało się, iż wszystkie testowane związki dobrze rozpuszczały sole litu, co jest kluczowe dla działania elektrolitu. Jeden z nich - związek o nazwie 1,3-difluoropropan - wyróżniał się jednak szczególnie dobrymi właściwościami.

Bardzo wysoka gęstość energii

Elektrolit oparty na 1,3-difluoropropanie miał niską lepkość, wysoką stabilność chemiczną i zachowywał przewodność jonową nawet w bardzo niskich temperaturach. W testach osiągnięto też bardzo wysoką sprawność procesów ładowania i rozładowania.

W praktyce oznaczało to, iż baterie litowo-metalowe z takim elektrolitem mogły przechowywać znacznie więcej energii niż typowe akumulatory litowo-jonowe używane dziś w samochodach elektrycznych czy elektronice. W temperaturze pokojowej gęstość energii przekroczyła 700 Wh/kg, podczas gdy obecne komercyjne baterie zwykle osiągają około 250-270 Wh/kg.

Co równie ważne, nawet przy temperaturze -50°C ogniwa zachowywały około 400 Wh/kg, czyli nadal więcej niż wiele obecnych technologii w normalnych warunkach.

Możliwe zastosowania

Jeśli podobne parametry uda się uzyskać w produkcji przemysłowej, nowy typ elektrolitu mógłby znaleźć zastosowanie w kilku ważnych sektorach. Jednym z nich są samochody elektryczne, zwłaszcza używane w regionach o bardzo zimnym klimacie, gdzie niskie temperatury często obniżają zasięg pojazdów.

Technologia mogłaby być też przydatna w systemach magazynowania energii pracujących na zewnątrz, na przykład w instalacjach energetycznych, które muszą działać niezawodnie w trudnych warunkach pogodowych. Naukowcy wskazują również na potencjalne zastosowania w lotnictwie i sektorze kosmicznym, gdzie urządzenia często pracują w ekstremalnych temperaturach.

Na razie etap badań

Na obecnym etapie są to jednak wciąż badania laboratoryjne. Zanim technologia trafi do komercyjnych baterii, konieczne będą dalsze testy dotyczące bezpieczeństwa, trwałości oraz kosztów produkcji.