Viso pasaulio inžinieriai jau ilgą laiką ieškojo būdų sukurti mažesnius, pigesnius, efektyvesnius daugkartinio naudojimo akumuliatorius – juk jie naudojami praktiškai visur, nuo mūsų kišeninių įrenginių iki elektromobilių. Bet vienai mokslininkų grupei iš Stenfordo universiteto (JAV) pavyko tai, ką galima būtų pavadinti „Šventojo Gralio atradimu“ – jie sukūrė stabilų gryno ličio anodą. Inžinieriai šio tikslo nesėkmingai siekė jau kelias dešimtis metų.
Viso pasaulio inžinieriai jau ilgą laiką ieškojo būdų sukurti mažesnius, pigesnius, efektyvesnius daugkartinio naudojimo akumuliatorius – juk jie naudojami praktiškai visur, nuo mūsų kišeninių įrenginių iki elektromobilių. Bet vienai mokslininkų grupei iš Stenfordo universiteto (JAV) pavyko tai, ką galima būtų pavadinti „Šventojo Gralio atradimu“ – jie sukūrė stabilų gryno ličio anodą. Inžinieriai šio tikslo nesėkmingai siekė jau kelias dešimtis metų.
Visuose akumuliatoriuose yra trys esminiai komponentai: elektrolitas (elektronų šaltinis), anodas elektronams išskirti ir katodas elektronams priimti, rašo phys.org. Šiandien daugelyje įrenginių naudojamos ličio baterijos. Tačiau jos – tik iš dalies ličio. Kitaip tariant, ličio jonų baterijos. Litis yra elektrolite, bet ne anode. Gryno ličio anodas būtų milžiniškas šuolis didinant akumuliatorių efektyvumą.
„Iš visų medžiagų, kurios galėtų būti naudojamos anodų gamybai, ličio potencialas yra pats didžiausias. Kai kurie jį vadina „Šventuoju Graliu“, – sakė Stenfordo universiteto mokslininkas, medžiagų mokslo ir inžinerijos profesorius Yi Cui, vadovavęs išradimo autorių grupei. – Jis labai lengvas, o jo energijos tankis yra pats didžiausias. Iš tūrio ir masės vieneto gaunamas maksimalus energijos kiekis, todėl galima būtų gaminti mažesnes ir lengvesnes, tačiau talpesnes baterijas.“
Iš pirmo žvilgsnio gali pasirodyti, kad šis išradimas nėra sudėtingas. Tačiau dešimtys metų inžinierių darbų buvo nesėkmingi – pasiekti tikslą pavyko tik dabar. „Litis pasižymi tam tikromis sudėtingomis savybėmis, dėl kurių jį panaudoti anodui gaminti buvo sunku. Daugelis inžinierių, siekusių šio tikslo, nuleido rankas. Tačiau mes radome būdą apsaugoti litį nuo tų problemų, dėl kurių ankstesni darbai buvo nesėkmingi“, – sakė Y. Cui laboratorijos doktorantas, pirmasis tyrimo autorius Guangyuanas Zhengas.
Y. Cui grupėje taip pat dirbo buvęs JAV Energetikos departamento sekretorius ir Nobelio premijos laureatas Stevenas Chu, neseniai grįžęs į profesūrą Stenfordo universitete.
„Žvelgiant iš praktinės pusės, jeigu dabartinę baterijų talpą galėtume padidinti, tarkime, ketveriopai, tai būtų labai šaunu. Galima būtų gaminti išmaniuosius telefonus, kurių akumuliatoriai be įkrovimo veiktų 3–4 kartus ilgiau arba elektromobilius, kurie kainuotų vos 25 000 JAV dolerių – taip jie galėtų konkuruoti su įprastiniais automobiliais, varomais vidaus degimo variklių“, – sakė S. Chu.
Inžinerinis iššūkis
Savo moksliniame darbe mokslininkai paaiškino, kaip jei suvaldė ličio keliamas problemas.
Dauguma ličio jonų akumuliatorių, kokių galima rasti išmaniuosiuose telefonuose ar hibridiniuose automobiliuose, veikia panašiu principu. Esminiai jų komponentai yra anodas (neigiamas elektrodas, nuo kurio elektronai teka į elektrą naudojantį įrenginį) ir katodas (į kurį patenka elektronai, praėję visą energija maitinamo įrenginio elektros grandinę). Juos skiria elektrolitas – skystis arba kieta medžiaga, kurioje esama teigiamo krūvio ličio jonų, keliaujančių tarp katodo ir anodo. Įkraunant akumuliatorių, teigiamo krūvio ličio jonai iš elektrolito yra traukiami prie neigiamo krūvio anodo – litis akumuliuojasi ant anodo. Bet šiandienos įrenginių anodas yra gaminamas iš grafito arba silicio.
Inžinieriai mielu noru naudotų litį ir anodui gaminti, tačiau iki šiol tai buvo neįmanoma, nes krovimosi metu ličio jonams kaupiantis ant anodo, tie jonai plečiasi. Krovimosi metu plečiasi visos anodo medžiagos – taip pat ir grafitas bei silicis – tačiau tradicinių anodų medžiagos plečiasi kur kas mažiau. Mokslininkai teigia, jog ličio plėtimasis krovimosi metu yra „iš esmės neribotas“, lyginant su kitomis medžiagomis. Be to, jo plėtimasis nėra tolygus, todėl išoriniame anodo paviršiuje formuojasi įtrūkimai – panašiai, kaip sutrūkinėtų dažai ant nudažyto baliono. Atsiradę anodo paviršiaus įtrūkimai – tai plyšiai, per kuriuos į aplinką ištrūksta brangieji ličio jonai, todėl susidaro siūlinės ataugos, vadinamos dendritais. O dendritai akumuliatoriuje sudaro trumpą jungimą ir sutrumpina jo gyvavimo laiką. Dendritų susidarymo ribojimas – pirma ir pagrindinė užduotis siekiant panaudoti litį kaip anodą.
Antra inžinerinė užduotis atsiranda dėl to, jog litis yra chemiškai labai aktyvus metalas – jis reaguoja su elektrolitu. Tai išnaudoja elektrolitą ir taip pat trumpina akumuliatoriaus gyvavimo laiką.
Dar viena problema – tai, jog kontaktuojant anodui ir elektrolitui išsiskiria šiluma. Ličio akumuliatoriai – taip pat tie, kuriuos ir šiandien naudojame – gali įkaisti tiek, kad netgi karštais užsidega ar sprogsta, todėl jų saugumas taip pat yra svarbus, susirūpinimą keliantis klausimas. Tokį pavojų puikiai iliustruoja neseniai vykę gaisrai „Tesla“ automobiliuose ir netgi „Boeing Dreamliner“ lėktuvuose.
Nanosferų kūrimas
Stenfordo universiteto mokslininkams akumuliatorių „Šventąjį Gralį“ atrasti padėjo nanotechnologijos: ličio anodas buvo padengtas tarpusavyje susijungusių mažučių anglies kupolų, kuriuos mokslininkai pavadino nanosferomis, sluoksnis.
Šis sluoksnis primena bičių korį: jis sudaro vientisą lankstų inertišką plėvelę, kuri apsaugo nestabilų ličio anodą nuo įgimtų medžiagos trūkumų pasireiškimo. Anglies nanosferos yra vos 20 nm skersmens. Kitaip tariant, norint, kad nanosferų sluoksnis pasiektų žmogaus plauko storį, reikėtų vieną ant kito sukrauti 5000 jų sluoksnių. „Metališko ličio anodo idealus apsauginis sluoksnis turi būti chemiškai stabilus, kad apsaugotų anodą nuo cheminių reakcijų su elektrolitu ir mechaniškai tvirtas, kad atlaikytų ličio plėtimąsi įkrovimo metu“, – sakė Y. Cui.
Būtent toks ir yra Stenfordo universiteto mokslininkų sukurtas nanosferų sluoksnis. Jis pagamintas iš amorfinės anglies, kuri yra chemiškai stabili, tačiau sluoksnis yra pakankamai tvirtas ir lankstus, kad laisvai juda ličio paviršiumi šiam plečiantis ir traukiantis įprastinio akumuliatoriaus įkrovimo ir naudojimo ciklo metu.
Vertinant iš techninės pusės, nanosferų sluoksnis padidina ir akumuliatoriaus kuloninį efektyvumą – santykį tarp ličio kiekio, kurį galima išgauti iš anodo kuomet akumuliatorius naudojamas ir ličio kiekio, kuris prie anodo pritraukiamas įkrovimo metu. Vienas toks įkrovimo-iškrovimo procesas vadinamas ciklu.
Paprastai komerciniu požiūriu naudingais akumuliatoriai vadinami tada, kai jų efektyvumas yra 99,9 proc. arba daugiau – idealiu atveju šis santykis turi išsilaikyti kiek galima ilgiau. Tačiau ankstesni akumuliatoriai su neapsaugotu ličio anodu pasiekdavo vos 96 proc. efektyvumą, kuris jau po 100 ciklų krisdavo iki 50 ar net mažiau procentų – tai visiškai netenkinantis rezultatas. Tuo tarpu litį padengus naująja danga, jis 99 proc. efektyvumą išlaiko net po 150 ciklų.
„Kuomet kalbama apie akumuliatorius, skirtumas tarp 99 ir 96 procentų yra milžiniškas. Ir nors dar nepasiekta 99,9 proc. riba, kurios siekiame, esame arti ir tai yra labai reikšmingas žingsnis pirmyn lyginant su bet kuriais ankstesniais darbais. Po papildomų inžinerinių tobulinimų ir naujų elektrolitų išbandymo, esame tikri, galėsime realizuoti praktišką ir stabilų metališko ličio anodą, kuris galėtų būti naudojamas ateities daugkartinio naudojimo akumuliatoriuose“, – sakė mokslininkų grupės vadovas.
