Vědcům se podařil významný průlom v pochopení a překonání problémů spojených s katodovými materiály bohatými na nikl, které se používají v lithium-iontových bateriích.
Tyto materiály mají potenciál dosahovat vysokých napětí i kapacit, ale jejich praktickému využití brání strukturální nestabilita a ztráta kyslíku.
Jejich studie odhalila, že tvorba „kyslíkových děr“ - kdy ionty kyslíku ztrácejí elektron – hraje klíčovou roli v degradaci LiNiO2 katod, což urychluje uvolňování kyslíku, který pak může dále degradovat katodový materiál.
Pomocí souboru nejmodernějších výpočetních technik na regionálních superpočítačích ve Velké Británii vědci zkoumali chování LiNiO2 katod při jejich nabíjení. Zjistili, že během nabíjení dochází ke změnám kyslíku v materiálu, zatímco náboj niklu zůstává v podstatě nezměněn.
Spoluautor studie, profesor Andrew J. Morris z Birminghamské univerzity, uvedl: „V tomto případě se jedná o náboj, který je schopen vydržet až do úplného vybití. Zjistili jsme, že náboj iontů niklu zůstává přibližně +2 bez ohledu na to, zda je v nabité nebo vybité formě. Současně se náboj kyslíku pohybuje od –1,5 do přibližně –1."
„To je neobvyklé, běžný model předpokládá, že kyslík zůstává po celou dobu nabíjení na hodnotě –2, ale tyto změny ukazují, že kyslík není příliš stabilní, a my jsme našli cestu, kterou opouští katodu bohatou na nikl.“
Výzkumníci porovnali své výpočty s experimentálními údaji a zjistili, že jejich výsledky se dobře shodují s tím, co bylo pozorováno. Navrhli mechanismus, jak se kyslík během tohoto procesu ztrácí, zahrnující kombinaci kyslíkových radikálů za vzniku peroxidového iontu, který se pak přemění na plynný kyslík a zanechá v materiálu vakance. Tento proces uvolňuje energii a vytváří singletový kyslík, vysoce reaktivní formu kyslíku.
„Potenciálně můžeme přidáním dopantů, které snižují redox kyslíku a zároveň podporují redox přechodných kovů zejména na povrchu, čímž zmírňují vznik singletového kyslíku, zvýšit stabilitu a životnost tohoto typu lithium-iontových baterií, a připravit tak cestu pro účinnější a spolehlivější systémy skladování energie," dodává první autorka Dr. Annalena Genreith-Schriever z University of Cambridge.
Lithium-iontové baterie jsou široce využívány pro různé aplikace díky své vysoké hustotě energie a možnosti dobíjení, ale problémy spojené se stabilitou katodových materiálů brání jejich celkovému výkonu a životnosti.
PŘEDPLATNÉ
ČLÁNKY DO MAILU