Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Lżejsze i bardziej kompaktowe od swoich poprzedników akumulatory litowo-jonowe wychodzą obecnie poza strefę gadżetów. Służą do zasilania domów, samolotów, a nawet sieci elektrycznej zasilającej całe miasta. To własnie za opracowanie i rozwój baterii litowo-jonowych Nagroda Nobla 2019 w dziedzinie chemii trafiła do trzech chemików: Stanleya Whittinghama ze State University of New York w Binghamton, Johna Goodenough z University of Texas w Austin oraz Akiry Yoshiny z Asahi Kasei Corporation w Tokio.

Praktycznie wszystkie baterie mają trzy zasadnicze elementy: dwie elektrody – anodę i katodę – oddzielone elektrolitem. W dzisiejszych ogniwach litowo-jonowych elektrolit jest zazwyczaj cieczą, która pozwala jonom litu przemieszczać się w przód i w tył między elektrodami. Gdy akumulator dostarcza energię elektryczną, atomy litu na anodzie oddają elektrony przepływające przez drut zewnętrzny. Dodatnio naładowane jony litu migrują przez elektrolit do katody, gdzie osadzają się między warstwami katod wykonanymi z tlenku metalu. Przyłożenie napięcia elektrycznego do naładowania akumulatora odwraca przepływ, wypychając jony litu z tlenku metalu, przez elektrolit i z powrotem do anody, skąd odzyskują elektrony.

W latach 70. XX wieku, kiedy Stanley Whittingham pracował w Exxon Research & Engineering Company, wszystkie akumulatory wykorzystywały inne, mniej wydajne materiały w elektrodach: ołów, nikiel, kadm. Whittingham wypróbował coś nowego: połączenie katody wykonanej z warstwowego materiału zwanego disiarczkiem tantalu (TaS2) z anodą wykonaną z litu, która z łatwością oddaje elektrony i tworzy jony, które mogą wklinować się w warstwy TaS2. Taka bateria może przechowywać dużo energii. Firma Exxon nie mogła skomercjalizować wynalazku, ponieważ wielokrotne ładowanie osadzało cienkie wąsy litu na naodzie, zwane dendrytami, powodując zwarcie niektórych akumulatorów i ich zapalanie się.

John Goodenough (wówczas pracujący w University of Oxford w Wielkiej Brytanii), podjął wyzwanie. Uświadomił sobie, że katoda mogłaby wchłonąć więcej elektronów, gdyby była wykonana z tlenku metalu zamiast siarczku metalu. Niektóre z nich okazały się jednak niestabilne. Odkrył również, że dodanie kobaltu do katody pomogło ustabilizować jej warstwy. W 1980 roku opisał akumulator, który może wytwarzać 4 wolty, co czyni go prawie dwa razy mocniejszym niż akumulator Whittinghama.

Nadal głównym problemem było tworzenie się dendrytu na anodach litowo-metalowych. Naukowcy wykazali, że mogą wytwarzać anody z grafitu, ponieważ atomy litu mogą wklinować się w warstwy węgla. Grafit jednak nieustannie ulegał degradacji w elektrolicie akumulatora. W połowie lat 80. XX wieku Akira Yoshino odkrył, że jeśli zastosuje elektrolit zawierający węglan etylenu, cienką warstwę izolacyjną utworzoną na powierzchni grafitu, to ochroni go przed degradacją. W 1991 roku Asahi Kasei i Sony wypuścili pierwszą komercyjną baterię litowo-jonową, która zasilała między innymi przenośne odtwarzacze muzyki.

Pierwsze ogniwa nowego typu mogły przechowywać dwa razy więcej energii niż poprzednie najlepsze akumulatory. Dalsze ulepszenia zwiększyły zdolność magazynowania energii ogniw litowo-jonowych jeszcze trzykrotnie.

Badacze zajmujący się akumulatorami wciąż pracują nad ulepszeniami, m.in. aby pozbyć się kobaltu, nie tylko bardzo drogiego metalu, ale także często wydobywanego przez małoletnich robotników w Demokratycznej Republice Konga – kraju, który dostarcza około 70% światowych zasobów kobaltu. Obecne akumulatory litowo-jonowe zmniejszają zapotrzebowanie na kobalt poprzez zmieszanie z manganem i niklem, ale stabilizacja katody warstwowej nadal wymaga nieco kobaltu.

Innym ważnym kierunkiem badań jest zastąpienie ciekłych elektrolitów polimerami i innymi materiałami stałymi. Udoskonalone elektrolity stałe mogłyby umożliwić naukowcom powrót do korzystania ze stałych anod litowych bez obawy tworzenia dendrytów. Może to doprowadzić do tego, że akumulatory będą w stanie zgromadzić wystarczającą ilość energii, aby napędzać pojazdy elektryczne, tak daleko jak samochody napędzane gazem, bez ładowania, zasilać samoloty elektryczne o krótkim zasięgu, a nawet magazynować energię elektryczną z elektrowni wiatrowych i słonecznych, do oświetlania miast nocą i kiedy nie ma wiatru.

Opracowano na podstawie:
Lithium-ion battery development takes Nobel