Zwilżalność baterii litowo-jonowych
Baterie litowo-jonowe są podstawową technologią magazynowania energii w urządzeniach mobilnych, takich jak smartfony i laptopy. Niedawny wzrost zapotrzebowania na pojazdy hybrydowe typu plug-in oraz samochody elektryczne zapoczątkował dyskusję, czy technologia baterii litowo-jonowych będzie kiedykolwiek wystarczająco dobra, aby umożliwić pełną elektryfikację rynku masowego.
Struktura baterii litowo-jonowej
Bateria litowo-jonowa składa się z porowatych elektrod dodatniej i ujemnej, które są wypełnione roztworem elektrolitu i oddzielone separatorem. Elektroda dodatnia – katoda – jest zazwyczaj wykonana z tlenku kobaltu litu (LiCoO₂) lub tlenku manganu litu (LiMn₂O₄). Elektroda ujemna – anoda – jest tradycyjnie wytwarzana z grafitu lub innych materiałów węglowych. Elektrolit stanowi zwykle sól litu rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym; często stosuje się także elektrolity polimerowe. Elektrolit umożliwia transport wyłącznie jonów litu pomiędzy anodą a katodą. Separator jest fizyczną barierą oddzielającą anodę od katody. Podczas gdy katoda i anoda decydują o wydajności baterii, elektrolit i separator odpowiadają przede wszystkim za jej bezpieczeństwo.
Zwilżalność elektrod
Zwilżalność poszczególnych elementów baterii litowo-jonowych stała się jednym z kluczowych zagadnień zarówno z punktu widzenia procesu produkcji, jak i wydajności oraz bezpieczeństwa baterii.
Zwilżalność materiału elektrodowego
Zwilżalność materiału elektrodowego przez roztwór elektrolitu jest jednym z głównych wyzwań w rozwoju wysokowydajnych baterii litowo-jonowych. Przejście od małych baterii do zastosowań wielkoskalowych, takich jak pojazdy elektryczne, stawia istotne wyzwania przed produkcją. Jednym z kluczowych etapów wytwarzania jest wprowadzenie elektrolitu do porowatej elektrody za pomocą precyzyjnej pompy. Na tym etapie elektrolit powinien przeniknąć i wypełnić pory elektrody. Proces ten nazywany jest procesem zwilżania i – ze względu na słabą zwilżalność elektrody, długie drogi dyfuzji oraz utrudnioną dyfuzję spowodowaną obecnością uwięzionych w porach gazów – może trwać nawet kilka dni w podwyższonej temperaturze. Tak długi proces wydłuża czas produkcji i jednocześnie zwiększa jej koszty.
Ponadto niewystarczające zwilżenie porowatych elektrod przez elektrolit prowadzi do nieregularnych reakcji elektrochemicznych oraz niestabilnego formowania się warstwy stałego elektrolitu (SEI). Skutkuje to pogorszeniem parametrów ogniwa i skróceniem jego żywotności cyklicznej. Niepełne zwilżenie sprzyja także powstawaniu dendrytów metalicznego litu, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Niezawilżony materiał aktywny prowadzi również do niewykorzystania pełnej pojemności elektrody oraz wzrostu jej oporu.
Zwilżalność separatora
Separator jest kluczowym elementem baterii, ponieważ znajduje się pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną. Zapobiega on zwarciu baterii poprzez fizyczne oddzielenie elektrod, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów litu. Choć separator bywał uznawany za element bierny, jego właściwości mają fundamentalne znaczenie dla wydajności i bezpieczeństwa baterii.
Separator jest porowatą membraną umieszczoną pomiędzy elektrodami o przeciwnych polaryzacjach. Na przestrzeni lat stosowano różne materiały separatorów, jednak obecnie komercyjne separatory są najczęściej wytwarzane z poliolefin, takich jak polietylen lub polipropylen.
Zwilżalność separatora przez elektrolit jest krytyczną cechą, ponieważ adsorpcja elektrolitu jest niezbędna do transportu jonowego. Polimerowe materiały separatorów są z natury hydrofobowe i wykazują niewystarczającą zwilżalność wobec konwencjonalnych elektrolitów organicznych. W celu zwiększenia zwilżalności separatorów rozważano różne podejścia, w tym stosowanie powłok (np. metodą elektroprzędzenia lub osadzania warstw atomowych – ALD) oraz wytwarzanie separatorów kompozytowych.
Na podstwie tekstu Susanny Lauren
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz