W ciągu ostatniej dekady postępy w badaniach i rozwoju doprowadziły do powstania bardziej wydajnych baterii litowo-jonowych. Jednak nadal istnieją niedociągnięcia – jednym z wyzwań jest potrzeba szybszego ładowania. Uczeni z Uniwersytetu Stanowego Boise i Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zdecydowali się na niekonwencjonalne podejście do tego problemu. Korzystając z zasobów Laboratorium Narodowego Departamentu Energii USA (DOE) w Argonne, stworzyli nowy materiał na elektrody do baterii – pentatlenek niobu, który ma nowatorską strukturę krystaliczną. Może on przyspieszyć ładowanie, zapewniając jednocześnie doskonałą pojemność. Szczegóły opisano w Nature Materials.
Jak zwiększyć tempo ładowania ogniw elektrycznych?
Podczas ładowania jony litu przemieszczają się z elektrody dodatniej (katody) do elektrody ujemnej (anody), zwykle wykonanej z grafitu. Przy większych prędkościach ładowania, metaliczny lit ma tendencję do gromadzenia się na powierzchni grafitu. Efekt ten zwany platerowaniem ma tendencję do pogarszania wydajności i może powodować zwarcie, przegrzanie i zapalenie się baterii.
Pentatlenek niobu jest znacznie mniej podatny na platerowanie, co potencjalnie czyni go bezpieczniejszym i trwalszym od grafitu. Ponadto jego atomy mogą układać się w wiele różnych stabilnych konfiguracji, które nie wymagają dużo energii do rekonfiguracji. Daje to naukowcom możliwość odkrycia nowych struktur, które mogłyby zwiększyć wydajność baterii.
Naukowcy zbudowali ogniwo guzikowe z elektrodą wykonaną z pentatlenku niobu jako materiałem elektrody (a amorficzną strukturą). Kiedy ogniwo było wielokrotnie ładowane i rozładowywane, nieuporządkowana struktura przekształciła się w uporządkowaną, krystaliczną. Ta szczególna struktura nigdy wcześniej nie była opisywana w literaturze naukowej.
Struktura krystaliczna umożliwiła łatwiejszy i szybszy transport jonów litu do anody podczas ładowania. Odkrycie to wskazuje na obiecującą możliwość szybkiego ładowania materiału, a inne pomiary sugerują, że może on przechowywać duże ilości ładunku.
Obecnie trudno jest wytworzyć wysokowydajny, krystaliczny pentatlenek niobu za pomocą tradycyjnych metod syntezy, takich jak te, które poddają materiały działaniu ciepła i ciśnienia. Niekonwencjonalne podejście do syntezy, zastosowane z powodzeniem w tym badaniu – ładowanie i rozładowywanie ogniwa akumulatorowego – może być zastosowane do produkcji innych innowacyjnych materiałów akumulatorowych. Potencjalnie może to nawet pomóc w produkcji nowych materiałów w innych dziedzinach, takich jak półprzewodniki i katalizatory.
