Pabandykite įsivaizduoti mobilųjį telefoną, kurį intensyviai naudojus daugiau nei savaitę būtų galima vėl įkrauti per... 15 minučių. Tokia įrenginio baterija jau nebėra neįgyvendinama svajonė. Bent jau taip teigia Šiaurės vakarų universiteto (JAV) tyrėjai.

Inžinierių komanda sukūrė ličio jonų baterijoms, kurios tiekia energiją jūsų mobiliajam telefonui ar MP3 grotuvui, skirtą elektrodą, leidžiantį prailginti baterijos darbo laiką net 10 kartų. Baterijos su naujuoju elektrodu įkraunamos irgi 10 kartų sparčiau.

Tyrėjai panaudojo du cheminės inžinerijos metodus, kad galėtų vienu ypu pagerinti du pagrindinius baterijų apribojimą nusakančius parametrus – energijos talpą ir įkrovimo spartą. Be to, kad galėsime džiaugtis ilgiau veikiančiais mobiliaisiais įrenginiais, mokslininkai žada postūmį kuriant veiksmingesnes ir mažesnes baterijas, skirtas elektromobiliams.

Pasak tyrėjų, naujoji technologija pramonę galėtų pasiekti per maždaug tris penkerius metus.

„Mes aptikome būdą, leidžiantį naujos ličio jonų baterijos veikimo trukmę prailginti 10 kartų, – pasakoja pagrindinis straipsnio autorius Haroldas Kungas (Harold Kung). – Netgi po 150 įkrovimų, kas atitinka maždaug vienerių metų naudojimosi laikotarpį, naujosios konstrukcijos baterija yra vis dar 5 kartus veiksmingesnė už dabar parduodamas ličio jonų baterijas.“

H. Kungas yra Šiaurės vakarų universiteto Makormiko inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos cheminės ir biologinės inžinerijos profesorius.

Ličio jonų baterijos yra įkraunamos cheminės reakcijos metu verčiant ličio jonus judėti iš vieno baterijos galo į kitą. Kuomet baterija yra naudojama, ličio jonai elektrolitu juda iš anodo į katodą. Kai vyksta įkrovimo procesas, judėjimas pakeičia savo kryptį į priešingą.

Naudojant dabartines technologijas ličio jonų baterijų veikimą apriboja du veiksniai. Pirmiausia išskiriama energijos talpa, nusakanti, kiek laiko baterija gali veikti. Ją apriboja krūvininkų tankis, kurį galima įsivaizduoti kaip dydį, parodantį, kiek ličio jonų galima sutalpinti anode arba katode. Kitas parametras yra baterijos įkrovimo sparta. Ją apriboja greitis, kuriuo ličio jonai elektrolitu gali keliauti anodo link.

Dabartinėse įkraunamose baterijose anodas yra sudarytas iš keliolikos anglies pagrindo sluoksnių. Tokios technologijos trūkumas yra tai, kad šeši anglies atomai sugeba išlaikyti vos vieną ličio joną. Tam, kad padidintų energijos talpą, mokslininkai anglį bandė pakeisti siliciu, mat šis puslaidininkis gali išlaikyti kur kas daugiau ličio jonų – net keturis, tenkančius kiekvienam silicio atomui. Vis dėlto įkrovimo metu silicis labai smarkiai išsiplečia ir vėliau susitraukia. Tai sukelia fragmentaciją ir itin spartų krūvininkų talpos sumažėjimą.

Baterijos įkrovimo spartą gerokai apriboja anglies lakštų forma: šie yra labai ploni (vos vieno anglies atomo storio), bet palyginti išsitęsę. Įkrovimo proceso metu prieš patekdamas tarp anglies lakštų ličio jonas privalo nukeliauti visą atstumą iki jų pakraščio. Kadangi ličio jonui prireikia nemažai laiko, kol šis pasiekia lakšto vidurį, aplink medžiagos pakraščius susidaro tam tikri jonų kamščiai.

H. Kungo vadovaujama komanda suderino dvi technologijas, kad galėtų susidoroti su šiomis problemomis. Pirma, tam, kad stabilizuotų silicį (nes ši medžiaga užtikrina didžiausią krūvininkų talpyklą), mokslininkai silicio klasterius įterpė į tarplakštines anglies sritis. Tai padeda sukaupti didesnį ličio jonų kiekį elektrode, tuo pačiu išnaudojamas anglies lakštų lankstumas, kuris leidžia prisitaikyti prie silicio tūrio pokyčių.

„Dabar mes praktiškai turime geriausią galimą derinį, – tęsia mokslininkas. – Silicis užtikrina žymiai didesnį energijos tankį, o apribojimas anglies lakštais sumažina talpos sumažėjimą, kurį sukelia silicio susitraukimas ir išsiplėtimas. Netgi jeigu silicio klasteriai subyrėtų, ši medžiaga niekur nedingtų.“

H. Kungo vadovaujama komanda taip pat panaudojo oksidacijos procesą, kad anglies lakštuose sukurtų mažytes (nuo 10 iki 20 nanometrų skersmens) skylutes. Taip siekiama, kad ličio jonai turėtų kur kas trumpesnį priėjimą prie anodo, kuriame sąveikauja su siliciu. Tai leido baterijos įkrovimo laiką sumažinti netgi 10 kartų.

Viso šio tyrimo metu mokslininkai nagrinėjo tiktai anodą. Toliau tyrėjai ketina imti katodo, mat tikisi, jog tai irgi leis padidinti baterijų veiksmingumą. Jie mąsto ir apie elektrolito sistemos tobulinimą, kuris pasiekus tam tikrą aukštos temperatūros vertę leistų baterijai išsijungti automatiškai. Toks saugumo mechanizmas labai svarbus konstruojant elektromobilius.