В продължение на четвърт век човечеството се радва на предимствата, които донесе въвеждането на литиево-йонните батерии. Не напразно през 2019 година Нобеловата награда за химия беше присъдена за нейното откритие, но трябва да отидем по-далеч – към създаването на по-съвършени батерии и тук всичко се свежда до цял набор от проблеми, за чието преодоляване може да помогне само фундаменталната наука – и тя помага.

Един от обещаващите начини за увеличаване на капацитета на съдържащите литий батерии е преминаването към литиево-метални аноди. Анодът отдава йони чрез химическа реакция, когато батерията се разрежда и ги връща обратно в процеса на зареждане, за да бъдат използвани в следващия цикъл на работа (разреждане).

Както многократно е съобщавано, металният литий е изключително химически активно вещество. Използването му в анода на батериите предизвиква образуването на дендрити – тънки литиеви нишки, които в продължение на няколкостотин или дори десетки цикли на заряд/разряд могат да се разраснат до противоположния електрод и да предизвикат късо съединение с последващо запалване на батерията и опасност от пожар. Течният и обикновено запалим електролит в батерията, който е необходим като проводник на йони само засилва тази опасност.

Проблемът с образуването на дендритите се решава частично чрез преминаване към твърди електролити. Обикновено това е смес от керамика и полимер.

Като остава проводник на йони, твърдият електролит забавя и дори спира растежа на литиевометалните игли от анода. Проблемът е да се избере най-доброто съотношение на керамика и полимер, както и на самите материали, което да не влошава цикличността на батерията и нейните експлоатационни характеристики – капацитет, плътност на съхранената енергия, скорост на зареждане и други.

Трудността при избора на материал за твърди електролити се състои в това, че на границата между анода и електролита химичните и физичните процеси протичат в много тънко пространство – с ширина от 5 до 50 nm. Същевременно това е критична област, която определя работата на батерията като цяло. За да продължим да се движим към по-усъвършенствани батерии е важно да разберем какво точно се случва там. Обикновено учените използват ядрено-магнитен резонанс (ЯМР), за да изследват химичния (атомния) състав на даден материал, но не и в този случай. Изследването на интерфейса чрез ЯМР би изисквало години наред измервания, което е тривиално неизгодно за никого.

Изследователите от израелския институт „Weizmann“ (Вайцман) засега оставят батериите настрана и си поставят фундаменталната задача да разработят техника за анализ на граничните слоеве на батериите.

„Едно от нещата, които най-много ми харесват в това изследване е, че без задълбочено научно разбиране на основната физика не бихме могли да разберем какво се случва в батерията. Нашият процес беше много типичен за работата тук, в Института „Вайцман“. Започнахме с чисто научен въпрос, който нямаше нищо общо с дендритите и това ни доведе до изследване с практически резултати, които биха могли да подобрят живота на всеки от нас.“

казват участниците в работата

В крайна сметка учените подобриха реакцията на материала, като комбинираха ЯМР с динамична поляризация на ядрата, при която спиновете на литиевите електрони бяха приведени в движение от радиочестотно поле. Това усилва многократно реакцията и дава възможност буквално за часове, а не за години, да се разкрие точният химичен състав на слоя. Анализът показа, че най-оптималното съотношение между керамика и полимер в твърд електролит би било, ако керамиката запазва 40 % от сместа. В този случай се запазва и цикличността и производителността на батерията. Учените се надяват, че резултатите от техните изследвания ще стимулират разработването на по-съвършени литиеви батерии и че това ще се случи съвсем скоро.