Nowe odkrycia na poziomie atomowym: Co naprawdę dzieje się wewnątrz baterii?

Przełom w badaniach nad strukturą baterii

Baterie, czyli ogniwa elektrochemiczne, to technologie łączące chemię, fizykę, nauki o materiałach i elektronikę. Stanowią nie tylko źródło zasilania dla telefonów czy pojazdów elektrycznych, ale także inspirują naukowców do zgłębiania ich budowy na poziomie molekularnym.

Nowatorskie podejście do badania interfejsów

Zespół naukowców pod kierownictwem prof. Yingjie Zhang z University of Illinois Urbana-Champaign przeprowadził pierwsze szczegółowe badania niejednorodności cieczy na granicy faz w ogniwach elektrochemicznych. W pracy opublikowanej w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences pokazano, iż struktury zwane warstwami podwójnymi elektrycznymi (EDL) organizują się w odpowiedzi na chemiczne depozyty na powierzchni ciała stałego.

W naszej pracy dokładnie zbadaliśmy EDL dzięki mikroskopii sił atomowych 3D, techniki zaprojektowanej do wykrywania bardzo małych sił. Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy molekularną strukturę niejednorodnych EDL otaczających skupiska powierzchniowe.

Znaczenie warstw podwójnych elektrycznych

Ogniwa elektrochemiczne wykorzystują ruchome ładunki w elektrolitach do utrzymania różnicy napięć między biegunami. Już ponad sto lat temu wykazano istnienie EDL na granicy cieczy i przewodnika, które tworzą się w nanometrowych warstwach. Dotychczasowe badania skupiały się jednak na modelowych, płaskich powierzchniach, co powodowało lukę w wiedzy na temat rzeczywistych systemów baterii.

Obserwacje i nowe mechanizmy

Dzięki zastosowaniu mikroskopii sił atomowych 3D naukowcy powiązali niejednorodność EDL z występowaniem skupisk powierzchniowych, które pojawiają się na początkowych etapach ładowania baterii. Wyróżniono trzy podstawowe reakcje EDL:

• Uginanie – warstwy wyginają się wokół skupiska,
• Rozrywanie – fragmenty warstw oddzielają się i tworzą nowe warstwy pośrednie,
• Ponowne łączenie – warstwa EDL nad skupiskiem łączy się z sąsiednią warstwą, przesuniętą o jeden numer warstwy.

Te trzy wzorce są dość uniwersalne. Struktury te wynikają głównie z ograniczonego rozmiaru cząsteczek cieczy, a nie z ich konkretnej chemii. Powinniśmy być w stanie przewidzieć strukturę cieczy na podstawie morfologii powierzchni ciała stałego także w innych systemach.

Znaczenie odkrycia dla przyszłości magazynowania energii

Badania te mogą znacząco wpłynąć na rozwój nowoczesnych baterii i magazynów energii. Zrozumienie dynamicznych zmian EDL na rzeczywistych, heterogenicznych powierzchniach otwiera nowe możliwości optymalizacji procesów ładowania i wydłużania żywotności ogniw.

To przełom. Udało nam się rozwiązać strukturę EDL w realistycznych, niejednorodnych systemach elektrochemicznych, co stanowiło święty Graal elektrochemii. Oprócz praktycznych zastosowań w technologii, zaczynamy pisać nowe rozdziały podręczników do elektrochemii.

Zobacz również:

• Holenderski rynek energii: magazyny gazu zapełnione, rekordowe ceny prądu podczas bezwietrznych wieczorów
• ContourGlobal zainwestuje 1,6 GW w magazyny energii we Włoszech
• Drugie życie baterii: ACCIONA Energía i DNV testują magazyny energii z recyklingu e-skuterów
• IFC inwestuje 30 mln euro w R.Power. Nowe magazyny energii w Polsce
• Energa przyspiesza inwestycje w OZE i dystrybucję. W planach nowe bloki gazowe i magazyny energii

Źródło: ScienceDaily