O nouă abordare în analiza și proiectarea noilor conductori de ioni – o componentă cheie a bateriilor reîncărcabile – ar putea accelera dezvoltarea bateriilor cu litiu de mare putere și, eventual, a altor dispozitive de stocare și distribuire a energiei, precum pilele de combustie, spun cercetătorii citați într-un articol publicat de MIT Energy and Climate. Asemenea principii de proiectare ar putea ajuta la identificarea unor electroliți mai buni pentru bateriile de litiu de generație următoare, care ar putea conduce la un nou impuls pentru vehiculele electronice.

Noua abordare se bazează pe înțelegerea modului în care vibrațiile se deplasează prin rețeaua cristalină a conductorilor de litiu-ion și prin corelare cu modul în care acestea inhibă migrația ionilor. Noua perspectivă este o modalitate de a descoperi noi materiale cu mobilitate sporită a ionilor, permițând încărcarea și descărcarea rapidă. În același timp, metoda poate fi utilizată pentru a reduce reactivitatea materialului în raport cu electrozii bateriei, factor care poate reduce durata de viață utilă a acesteia. Cele două caracteristici – mobilitatea mai bună a ionilor și reactivitatea scăzută – tind să fie invers proporționale.

Noul concept a fost dezvoltat de o echipă condusă de profesoara de energetică Yang Shao-Horn de la MIT, care și-a publicat observațiile în revista Energy and Environmental Science.

Lucrul la noul principiu de proiectare durează de aproximativ cinci ani, afirmă Shao-Horn, și a început de la efortul de a înțelege și a controla catalizatorii pentru împărțirea apei și pentru a o replica aplica în conducția ionică – procesul care stă nu doar la baza bateriilor reîncărcabile, ci și a altor tehnologii-cheie, cum ar fi celulele de combustie și sistemele de desalinizare. În timp ce electronii, încărcați negativ, se deplasează de la un pol al bateriei la celălalt (oferind astfel energie pentru dispozitive), ionii pozitivi se deplasează în sens invers, între poli, printr-un electrolit (un conductor de ioni).

De obicei, electrolitul este lichid. O sare de litiu dizolvată într-un lichid organic este electrolitul cel mai des folosit în bateriile litiu-ion din prezent. Această substanță este inflamabilă și uneori a provocat aprinderea bateriilor. Cercetătorii au căutat un material solid care poate fi folosit ca electrolit, eliminând aceste riscuri.

Sunt cunoscuți numeroși conductori de ioni solizi, dar nici unul nu este stabil în contact cu electrozii pozitivi și negativi din bateriile litiu-ion, spune Shao-Horn. Prin urmare, este nevoie de noi conductori solizi care au atât o conductivitate ridicată a ionilor, iar stabilitatea este esențială. Căutarea prin numeroase familii și compoziții diferite pentru a găsi cele mai promițătoare soluții este similar cu a căuta acul în căpița de fân. Iar aici intră în joc noile principii de proiectare.

Ideea este de să găsim materiale cu conductivitate ionică comparabilă cu cea a lichidelor, dar cu stabilitatea pe termen lung a electrozilor solizi. Echipa a căutat răspunsuri la întrebări de tipul: „Care este principiul fundamental? Care sunt principiile de proiectare la un nivel structural general care guvernează proprietățile dorite?”, explică Shao-Horn. O combinație de analize teoretice și măsurători experimentale a dat acum câteva răspunsuri, spun cercetătorii.

„Am constatat că există o mulțime de materiale de verificat, dar nici o abordare sau un principiu comun care să ne permite să organizăm rațional procesul de identificare”, spune principalul autor al lucrării. „Am venit cu o idee care să ne ofere cadrul general de înțelegere și să prezică care materiale ar fi printre cele mai potrivite”.

Cheia a fost aceea analiza proprietățile pattern-ul structurilor cristaline ale acestor materiale solide. Acesta guvernează modul în care vibrațiile, precum ar fi undele de căldură sau sonore, cunoscute sub numele de fononi, traversează materialele. Această nouă modalitate de a privi structurile permite predicții exacte asupra proprietăților reale ale materialelor. „Odată ce știi frecvența de vibrație a unui material dat, o poți folosi pentru a anticipa noi proprietăți chimice sau pentru a explica rezultatele experimentale”, spune Shao-Horn.

Cercetătorii au observat o corelație stabile între proprietățile modelelor structurale determinate prin utilizarea modelului și conductivitatea materialului conductorului de ioni de litiu. „Am făcut câteva experimente pentru a susține această idee și am constatat că rezultatele se potrivesc cu modelul teoretic”, spune ea.

În principal, experții au descoperit că frecvența de vibrație a litiului în sine poate fi reglată printr-o intervenție asupra structurii cristaline a materialului, folosind substituții chimice pentru a schimba ușor structura atomică.

Noul concept poate oferi acum un instrument puternic pentru dezvoltarea de materiale noi și performante care să ducă la îmbunătățiri dramatice a puterii care ar putea fi stocate într-o baterie de o anumită dimensiune sau greutate, precum și la creșterea siguranței, spun cercetătorii. Deja, metoda a fost folosită pentru a găsi câțiva candidați promițători. Tehnicile ar putea fi, de asemenea, adaptate pentru a analiza materialele utilizate în alte procese electrochimice, cum ar fi celulele de combustie cu oxizi solizi, sistemele de desalinizare bazate pe membrane sau reacțiile generatoare de oxigen.

Diagrama ilustrează rețeaua cristalină a unui material electrolitic propus pentru baterii, numit Li3PO4. Cercetătorii au descoperit că măsurarea modului în care vibrațiile de sunet se deplasează prin rețele ar putea dezvălui cât de bine se deplasează ionii – atomi sau molecule încărcate electric – prin materialul solid și, prin urmare, cum ar funcționa într-o baterie reală. În această diagramă, atomii de oxigen sunt arătați în roșu, formele piramidale sunt molecule de fosfat (PO4), iar sferele portocalii și verzi sunt ioni de litiu.