O baterie litiu-ion mai bună Understand article

Tradus de Mircea Băduţ. Să vedem ce se întâmplă cu electrozii dintr-o baterie litiu-ion cu ajutorul ştiinţei neutronului.

Bateriile litiu-ion dau energie telefoanelor și laptop-urilor noastre. Ele au început să ne alimenteze cu energie şi automobilele, însă dezvoltarea automobilului electric este afectată de progresul lent al tehnologiei acumulatorului. Pentru a ajuta accelerarea acestui proces și pentru a îmbunătăți tehnologia acumulatorilor, eu și colegii mei de la Institutul Laue-Langevin (ILL)w1 am făcut recent o baterie supradimensionată, astfel încât să se poată vedea efectiv ce se întâmplă în interiorul acesteia în timp ce funcționează. Filmul rezultat a ajutat oamenii de ştiinţă să caute soluţii pentru a îmbunătăţi electrozii din baterie.

Puterea litiului

Știm despre litiu că este un metal reactiv din grupa întâi, în colțul din stânga-sus al tabelului periodic al elementelor chimice. Ca unul dintre cele trei singure elemente create în Big Bang, litiul nu furnizează energie doar laptop-ului nostru – el este şi combustibil pentru stele.

Revenind pe Pământ, aflăm că ne extragem litiul din subsol, din locuri unde au apărut lacuri subterane uriașe conținând săruri de litiu, de unde obţinem anual aproximativ 25000 de tone de litiu metalic. O mare parte din acesta este folosit pentru a produce baterii litiu-ion ușoare, reîncărcabile.

Ca mai toate bateriile-acumulator, bateriile litiu-ion stochează energia electrică folosind potenţiale electro-chimice. Spre deosebire de bateriile simple, bateriile litiu-ion sunt reîncărcabile, astfel că reactivii lor pot fi regeneraţi prin simpla trecere a electricităţii prin interior. După ce bateria s-a descărcat, aceasta se poate conecta la un încărcător care folosește energie electrică pentru a inversa reacţiile chimice care au avut loc în baterie pe durata folosirii ei.

Firesc, bateria litiu-ion lucrează folosind ionii de litiu încărcaţi pozitiv pentru a transfera sarcina electrică. Ca toate bateriile, şi aceasta este formată din doi electrozi: unul pozitiv, confecţionat dintr-un compus conținând litiu (asociat adesea cu un oxid metalic de tranziție, de exemplu mangan); și unul negativ, din carbon de obicei. Aceşti doi electrozi sunt conectaţi printr-un electrolit care permite purtătorilor de sarcină (ionii de litiu) să se deplaseze între cei doi electrozi. Cele două jumatăţi de reacție arată astfel:

LiMn2O4 ⇌ Li1-xMn2O4 + xLi+ + xe

xLi+ + xe + xC6xLiC6

basic battery charging
O baterie litiu-ion simplă foloseşte ionii de litiu ca element de încărcare. În timp aceştia determină o deformare a electrozilor, cauzând degradarea bateriei
Imagine din domeniu public de la Chem511grpThinLiBat; sursa imaginii: Wikimedia Commons

Când bateria se descarcă (furnizând energie), ionii de litiu se mişcă de la electrodul de carbon înapoi la electrodul care conține litiu, urmând calea inversă atunci când bateria se reîncărcă. Din păcate, acest proces înainte și înapoi nu se poate repeta la nesfârșit. De-a lungul timpului, trecerea ionilor de litiu prin electrozi îi face să se umfle și să se micşoreze repetat, şi astfel îi degradează. Cam la fel cum hainele noastre favorite îşi pierd încet forma şi se uzează pe la margini dacă le purtăm şi le spălăm repetat. În cele din urmă blugii preferaţi nu se mai potrivesc ca la început – într-un mod similar ionii de litiu ajung să nu mai potrivească în structura electrozilor. Iar acumulatorul îşi pierde capacitatea.

Astfel că pentru a îmbunătăți bateriile trebuie să îmbunătățim materialele electrozilor – ceea ce înseamnă că trebuie să înțelegem modul în care aceste materiale se modifică prin repetarea ciclurilor de încărcare și descărcare. Aici poate ajuta ILL şi sursa sa de neutroni, şi anume permiţându-ne să „vizualizăm” modificările din structura cristalină a electrozilor. Difracţia neutronilor este o tehnică excelentă pentru evidenţierea ionilor de litiu care se deplasează prin electrozii, deoarece neutronii se pot devia de către elementele chimice ușoare precum litiul.

Filme în timp real

analysing the electrodes
Diferiţi electrozi de mangan
suportă modificări diferite pe
durata ciclurilor de
încărcare-descărcare

Pentru imagine mulţumim
autorului

La ILL am dezvoltat o baterie nouă tocmai pentru a studia ce se întâmplă în materialele electrozilor în timpul funcționării (Bianchini M et al 2013; 2014). Scopul a fost de a obține filmarea în timp-real a întregului proces şi la o calitate înaltă. Pentru a face filmul am creat mai multe imagini cu difracția neutronilor prin împrăștierea acestora în materialul electrodului în timp ce bateria se încărca și se descărca. Apoi am folosit aceste modele de difracție a neutronilor ca şi cadre pentru film; la fel ca în animația stop-cadru sau ca la confecţionarea unei cărţi cu animaţie pe file, redând imaginile una după alta, ceea ce ne permite să vedem ce se întâmplă cu adevărat la electrod.

La început am testat și optimizat funcția unei singure celule de acumulator, şi am controlat metodologia și calitatea modelelor de difracție folosind materiale de electrod relativ bine înțelese, precum fosfatul feros de litiu (LiFePO4). LiFePO4 este deja disponibil ca electrod sigur, ieftin și durabil. După ce am fost mulțumiţi cu experimentul, am început studierea de materiale de electrod mai noi, bazate pe oxid de litiu şi mangan (LiMn2O4) pentru a vedea modul în care comportamentul lor diferă. LiMn2O4 este un material interesant pentru electrodul pozitiv, cu o capacitate mare şi cu o rată ridicată de încărcare/descărcare, deși capacitatea îi scade rapid pe măsura ciclării, descurajând aplicarea comercială. Prin ajustarea formulei moleculare a materialului, am constatat că prin adăugarea de litiu la micro-structură, în defavoarea manganului, se poate depăși această provocare.

Bazându-ne munca pe formula moleculară a LiMn2O4, am făcut trei compuși cu formula Li1+xMn2-xO4, unde x este cantitatea de litiu suplimentar. Cei trei compuși au valori x de 0.05 și 0.10. Monitorizând modul în care s-au modificat materiale în timpul încărcărilor, am constatat că suplimentarea cu litiu reduce capacitatea maximă a bateriei, însă elimină problema slăbirii capacității în timp. Bateria nu reține toată sarcina de încărcare, dar rezistă mai mult la același nivel.

Am constat că aceasta se datorează următoarelor:

  1. Modificarea volumului indusă prin pierderea ionilor de litiu este mai redusă când se creşte cantitatea de litiu din materialul electrodului, iar mecanismul fizic prin care se întâmplă aceasta este şi el modificat.
  2. Atunci când s-a crescut cantitatea de litiu, cantitatea de Mn3+ (ion de mangan) s-a redus corespunzător, și știm că această specie de ioni afectează viaţa lungă a bateriilor.

În concluzie, materialul cu cea mai mare cantitate de litiu este un material mult mai bun pentru baterie.

Nu doar că am demonstrat că difracția neutronică ne poate ajuta să înțelegem comportamentul ionilor de litiu și al bateriilor litiu-ion, dar astfel am găsit şi o metodă reală de îmbunătățire a acestor baterii. Având în vedere aceste rezultate promițătoare, studiul acestui tip de material se extinde la compoziții diferite, precum cele care conțin nichel suplimentar (LiMn1.6Ni0.4O4), care lucrează la tensiuni electrice mai mari și, prin urmare, au mai multă energie. Poate că într-o zi munca noastră va ajuta maşina ta electrică să meargă mai rapede și mai mult.

 

Bateria transparentă

Celula specială de baterie pe care am folosit-o pentru acest experiment are electrozi mai mari decât cei normali, aşa că am putut înregistra foarte bine modelele de difracție a neutronilor pentru cercetarea propusă. Cea mai importantă caracteristică în această baterie specială a constat în utilizarea unui aliaj de titan-zirconiu recunoscut pentru calitatea sa de a fi transparent la neutroni – el nu dispersează neutronii, iar aceştia pot trece nestingheriţi prin electrod. În acest fel a fost colectat doar semnalul util de la electrodul de interes, evitându-se alte contribuții nedorite din celulă. În plus, am folosit o versiune deuterică a electrolitului, cu atomii de hidrogen înlocuiți cu izotopul mai greu (deuteriul), pentru a reduce și mai mult dispersia neutronilor și pentru a îmbunătăți semnalul obținut.

În ciuda dimensiunii mari a bateriei, eşantioanele pe care a trebuit să le studiem au fost relativ mici (≈200 mg) în comparaţie cu ceea ce în mod normal este necesar pentru experimentele de difracție a neutronilor (≈1 g). Însă datorită puterii mari a sursei de neutroni a ILL și a performantelor difractometre disponibile, am putut obține imaginile dorite.

 

ILL Grenoble
Institutul Laue-Langevin cu Alpii în fundal
Imagine de la Wurzeller [domeniu public]; sursa imaginii: Wikimedia Commons

Mai multe despre ILL

Institutul Laue-Langevin (ILL)w1 este un centru internațional de cercetare cu sediul în Grenoble, Franța. El a condus lumea în știința și tehnologia dispersiei de neutroni pentru mai bine de 40 de ani, începând experimente în 1972. ILL operează una dintre cele mai intense surse de neutroni din lume, generând fascicule de neutroni către o suită de 40 de instrumente de înaltă performanță, care sunt în mod constant actualizate. În fiecare an, 1200 de cercetatori din peste 40 de țări vizitează ILL pentru a desfășura activități de cercetare în fizica materiei condensate, în chimie, biologie, fizică nucleară și în știința materialelor.

ILL este un membru al EIROforumw2, editorul revistei Science in School.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

  • w1 –Pentru a afla mai multe despre ILL.
  • w2 – EIRO forum este asociere a opt dintre cele mai mari organizaţii de cercetare ştiinţifică inter-guvernamentală din Europa. Consorţiul combină resursele, facilităţile şi experienţa acestor organizaţii pentru a sprijini cercetarea europeană în a-şi maximiza potenţialul. Ca parte a activităţilor sale de educaţie şi de comunicare, EIROforum editează revista Science in School.

Resources

  • Şi cercetătorii de la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) din Grenoble, Franţa, lucrează la optimizarea bateriilor litiu-ion şi se poate găsi un articol interesant despre eforturile lor la paginile 16-17 ale of revistei ESRF news din iulie 2015.

Institution

ILL

Review

Bateriile litiu-ion sunt una dintre cele mai importante aplicaţii de electrochimie prezente în viața cotidiană a elevilor. Cu toate acestea, capacitatea lor redusă și durabilitatea sunt factori care le întârzie aplicarea la autovehiculele electrice.

Oamenii de ştiinţă de la Institutul Laue-Langevin (ILL) explică în acest articol o parte din eforturile lor pentru îmbunătățirea caracteristicilor bateriilor litiu-ion. Profesorii pot folosi articolul nu doar pentru a da exemple de cercetare avansată, ci şi pentru a explica în clasă conceptele electrochimiei care stau la baza funcționării bateriilor în general.

Se pot eleabora mai multe întrebări care să faciliteze înțelegerea, precum direcția curentului electric, sau fluxul de electroni; ori despre funcția electrolitului; sau chiar despre stoichiometria compușilor ionici. Articolul poate fi folosit pentru a discuta dificultățile care apar pe durata dezvoltării de produse tehnologice, folosind exemplul dialecticii ‘durabilitate versus capacitate’ la baterii. El permite şi înţelegerea legăturii dintre știința materialelor și electrochimie. De asemenea, se pot discuta şi problemele de mediu ce pot apărea la gestionarea bateriilor uzate.


Duarte Nuno Januário, Portugalia




License

CC-BY-NC-ND