Otkrivena rezerva kapaciteta u baterijama
Litijum gvožđe fosfat je jedan od najvažnijih materijala za baterije u električnim automobilima, stacionarnim sistemima za skladištenje energije i alatima. Ima dug radni vek, relativno je jeftin i nema tendenciju spontanog sagorevanja. Gustina energije takođe napreduje. Međutim, stručnjaci su i dalje zbunjeni zašto litijum-gvožđe-fosfatne baterije potkopavaju svoj teoretski kapacitet skladištenja električne energije do 25 odsto u praksi. Da bi se iskoristila ova neaktivna rezerva kapaciteta, bilo bi ključno znati tačno gde i kako se litijum joni čuvaju i oslobađaju iz materijala baterije tokom ciklusa punjenja i pražnjenja.
Istraživači sa Tehnološkog univerziteta u Gracu (TU Graz) su sada napravili značajan korak u ovom pravcu. Koristeći transmisione elektronske mikroskope, bili su u stanju da sistematski prate litijum jone dok su putovali kroz materijal baterije, mapiraju njihov raspored u kristalnoj rešetki katode gvožđe fosfata sa rezolucijom bez presedana i precizno kvantifikuju njihovu distribuciju u kristalu.
„Naša istraživanja su pokazala da čak i kada su ćelije test baterije potpuno napunjene, litijum joni ostaju u kristalnoj rešetki katode umesto da migriraju na anodu. Ovi nepokretni joni koštaju kapacitet“, kaže Daniel Knez sa Instituta za elektronsku mikroskopiju i nanoanalizu na TU Grac. Nepokretni litijum joni su neravnomerno raspoređeni u katodi. Istraživači su uspeli da precizno odrede ove oblasti različitih nivoa obogaćivanja litijumom i odvoje ih jedno od drugog do nekoliko nanometara.
Izobličenja i deformacije su nađene u kristalnoj rešetki katode u oblastima prelaza. „Ovi detalji pružaju važne informacije o fizičkim efektima koji su do sada suprotstavljali efikasnost baterija i koje možemo uzeti u obzir u daljem razvoju materijala“, kaže Ilie Hanzu sa Instituta za hemiju i tehnologiju materijala, koji je bio blisko uključen u studija.
Za svoja istraživanja, istraživači su pripremili uzorke materijala sa elektroda napunjenih i ispražnjenih baterija i analizirali ih pod ASTEM mikroskopom atomske rezolucije u TU Grac. Kombinovali su spektroskopiju gubitka energije elektrona sa merenjima difrakcije elektrona i snimanjem na atomskom nivou.
„Kombinovanjem različitih metoda ispitivanja, uspeli smo da utvrdimo gde se litijum nalazi u kristalnim kanalima i kako tamo dospeva“, objašnjava Nikola Šimić sa Instituta za elektronsku mikroskopiju i nanoanalizu i prvi autor rada o rezultatima, koji istraživački tim je nedavno objavio u časopisu Advanced Energy Materials. „Metode koje smo razvili i znanje koje smo stekli o jonskoj difuziji mogu se preneti na druge materijale baterija uz samo manja podešavanja kako bismo ih još preciznije okarakterisali i dalje razvijali.“
Izvor: autotech.news
