Mikrotekstūruotas varis ir MXene anodinėms baterijoms

Įsivaizduokite bateriją, kuri vietoje papildomo svorio prideda jį, kad tarnautų ilgiau. Tai yra baterijų be anodo, pagrįstų ličiumi, pažadas: pašalinti masyvų grafito anodą ir leisti ličiui nusėsti tiesiai ant plonos vario folijos. Teoriškai taip gaunama daugiau energijos vienam kilogramui. Praktikoje kyla pavojus, kad atsiras aštrūs, šakoti ličio smaigai, vadinami dendritais, kurie sukelia trumpųjų jungimų ir naikina talpą.

Korėjos pažangiosios mokslo ir technologijų instituto (KAIST) mokslininkai pasiskolino metodikas iš puslaidininkių gamyklų, kad spręstų būtent šią problemą. Sujungę mikrofabricavimo ir paviršiaus chemijos sprendimus, jie sukūrė varinį srovės rinktuvą, skatinantį tolygų ličio nusėdimą ir formuojantį stabilų apsauginį sluoksnį in situ per įkrovimo ciklus. Rezultatas išlaiko bateriją lengvą, tuo pačiu kovodamas su jos dėvėjimosi mechanizmais.

Technika apjungia du skirtingus veiksmus: topografiją ir chemiją. Pirmiausia komanda naudojo tikslinę litografijos metodiką, pritaikytą iš mikroschemų gamybos, kad išraižytų mikroskopinių vamzdelių masyvą ant vario folijos. Kiekvienas vamzdelis yra maždaug 300 nanometrų pločio ir 150 nanometrų aukščio. Toks smulkus architektūros sprendimas padidina elektrodo paviršiaus plotą maždaug keturis kartus lyginant su plokščia folija, paskirstydamas atkeliaujantį ličio srautą per daug daugiau nukleacijos vietų. Užuot koncentruodamasis keliuose karštosiose zonose ir formavęs adatai panašius dendritus, ličio nusėdimas gali būti tolygus visame paviršiuje.

Antra, paviršius padengtas itin plonu MXene sluoksniu, dvimatės medžiagos, kurios storis siekia tik apie 10 nanometrų. MXene neveikia kaip galutinis skydas. Jis labiau veikia kaip gruntas: adsorbuoja junginius iš elektroliito ir nukreipia apsauginio tarpsluoksnio, turtingo ličio fluoro (LiF), formavimąsi. Komandos LiPF6 pagrindu veikiančiame elektroliite toks LiF dominuojantis sluoksnis mažina parazitines reakcijas tarp metalinio ličio ir skysto elektroliito ir padeda slopinti dendritų augimą.

Šis požiūris apeina įprastus kompromisus. Ankstesnės strategijos dažnai pridėdavo perteklinį ličio kiekį arba storesnius apsauginius sluoksnius, kad kompensuotų nuostolius ir nestabilumą. Tai veikia, tačiau taip pat mažina svorio ir tūrio sutaupymus, dėl kurių baterijų be anodo sprendimai patrauklūs elektromobiliams. KAIST metodas siekia pagerinti ciklinį tarnavimo laiką nepridėdamas apimties, išsaugodamas energijos vienam masei pranašumą.

Mokslininkai derino medžiagų charakterizaciją ir kruopščius ląstelių bandymus, kad patikrintų, kaip elgiasi jų konstrukcija. Jie saugojo mėginius nuo oro poveikio ir naudojo rentgeno fotoelektronų spektroskopiją, laiko skrydžio antrinių jonų masių spektrometriją (TOF-SIMS) ir perdavimo elektronų mikroskopiją, kad žemėlapyje užfiksuotų cheminię sudėtį ir struktūrą nanodalelių mastu. Šios analizės rodo vienodą apsauginį tarpsluoksnį palei MXene dengto, tekstūruoto vario paviršių. Trumpai tariant, smulkūs vamzdeliai suteikia ličiui daugiau erdvės, o MXene pritraukia reikiamą chemiją, kad ta erdvė būtų patvari.

Už darbo stovi komanda, kurioje yra Jinwoo Lee ir Hee-Tae Jung iš KAIST, kartu su bendradarbiais iš Kyungpook nacionalinio universiteto ir Nacionalinio NanoFab centro. Lee pažymi, kad itin smulkūs gamybos metodai iš puslaidininkių pramonės gali sukurti tolygiausias nusėdimo vietas ir stabilų apsauginį sluoksnį net nekeisdami elektroliito formulės ar nepridėdami perteklinio ličio. Jis mano, kad tai galėtų pagreitinti aukštos energijos ląstelių be anodo komercializaciją.

Tyrimų komanda. (viršutinė eilė, iš kairės) Eunji Kim, doktorantė (KAIST); Hyunju Jung, doktorantė (KAIST); Jinuk Kim, doktorantas (KAIST). (apatinė eilė, iš kairės) Jinwoo Lee, profesorius (KAIST); Hee-Tae Jung, profesorius (KAIST); Yonghee Lee, profesorius (Kyungpook nacionalinis universitetas).

Kodėl tai svarbu elektromobiliams

Nuotolio baimė vis dar yra pagrindinė kliūtis elektromobilių plitimui. Baterijos, turinčios daugiau energijos vienam masės vienetui, gali padidinti nuvažiuojamą atstumą nepadidinant automobilio dydžio ar nepridėjus sunkių baterijų. Baterijų be anodo sprendimai šiuo atžvilgiu atrodo patrauklūs, tačiau tik tuo atveju, jei jie ištveria šimtus ar tūkstančius įkrovimo ciklų be gedimų. KAIST metodika tiesiogiai sprendžia dvi gedimo priežastis, kurios dažniausiai anksti nutraukia ląstelių be anodo tarnavimą: dendritų pramušimą ir nuolatinį aktyvaus ličio netekimą dėl pašalinių reakcijų.

Ką tai reiškia realiame pasaulyje? Lengvesnė baterija, turinti tą patį paketo tūrį, reiškia ilgesnį nuvažiuojamą atstumą arba galimybę naudoti mažesnius baterijų paketus, siekiant to paties nuotolio. Tai pagerina automobilio efektyvumą ir gali sumažinti išlaidas visoje tiekimo grandinėje, nuo žaliavų iki šiluminio valdymo.

Techniniai iššūkiai ir tolesni žingsniai

Nė vienas pasiekimas nėra tiesioginė pakeitimo priemonė. SSL litografijos ir MXene dangų pritaikymas didmeninei, roll-to-roll folijos gamybai bus pagrindinis inžinerinis iššūkis. Puslaidininkiai veikia mažuose plotuose su itin dideliu tikslumu; baterijų gamyba reikalauja greičio ir ekonomijos kvadratiniais metrais per minutę. Išplėsti raštuotą varį ir užtikrinti, kad MXene sluoksnis išliktų vienodas ir patvarus per ilgus gamybos ciklus, yra būtinos stotelės.

Taip pat kyla klausimų dėl suderinamumo su skirtingais elektroliitais ir ląstelių formatais. Pranešimuose naudojama LiPF6 pagrindu veikianti sistema, kur MXene nukreipia LiF formavimąsi. Alternatyvūs druskų ar priedų sprendimai gali pakeisti tarpsluoksnio chemiją ir reikalauti dangos ar tekstūros derinimo. Vis dėlto bendra strategija, derinti tikslią topografiją su chemijos valdomu tarpsluoksnio formavimu, yra plačiai taikoma.

Eksperto įžvalga

„Puslaidininkių lygio kontrolę perkelti į baterijų elektrodus yra galinga idėja“, sako dr. Maria Alvarez, baterijų medžiagų mokslininkė, nedalyvavusi tyrime. „Tai leidžia suprojektuoti, kur ličio nusėda ir kaip paviršius į tai reaguoja, o ne vien tik tikėtis, kad sąsaja elgsis tinkamai. Svarbiausia bus perkelti tą nanodalelių lygmens kontrolę į ekonomiškai gyvybingą gamybą. Jei tai pavyks, poveikis elektromobilių nuotoliui ir paketo dizainui gali būti reikšmingas.“

Mikrotekstūruoto vario ir MXene grunto derinys siūlo perspektyvų kelią link lengvesnių, ilgaamžiškesnių baterijų be anodo nepridedant apimties.