U srži svih litij-ionskih baterija jednostavna je reakcija: litijevi ioni u otopini elektrolita interkaliraju se (umetnu se) u čvrstu elektrodu tijekom pražnjenja baterije. Kada se deinterkaliraju i vrate u elektrolit, baterija se puni.

Taj se proces događa tisuće puta tijekom njezinog životnog vijeka, a količina energije koju može generirati i koliko se brzo može napuniti ovisi o tome koliko se brzo odvija ova reakcija.

Međutim malo se zna o točnom mehanizmu ove reakcije ili čimbenicima koji kontroliraju njezinu brzinu. U novoj studiji istraživači s MIT-a izmjerili su brzine interkalacije litija u raznim materijalima baterija i koristili te podatke za razvoj novog modela kontrole reakcije.

Njihov model sugerira da je interkalacija litija regulirana procesom prijenosa spojenih iona i elektrona, u kojem se elektron prenosi na elektrodu s litijevim ionom.

Uvidi dobiveni iz ovog modela mogli bi voditi do dizajna snažnijih i brže punjivih litij-ionskih baterija. Novi model također bi mogao pomoći znanstvenicima u razumijevanju toga zašto postavljanje elektroda i elektrolita na određene načine dovodi do povećanja energije, snage i vijeka trajanja baterije, što je proces koji se dosad uglavnom oslanjao na metodu pokušaja i pogrešaka.

Sto godina star model

Desetljećima su znanstvenici pretpostavljali da je brzina interkalacije litija na elektrodi litij-ionske baterije određena brzinom difuzije litijevih iona iz elektrolita u elektrodu. Vjerovali su da je ova reakcija regulirana modelom poznatim kao Butler-Volmerova jednadžba, a ona je izvorno razvijena prije gotovo sto godina da bi opisala brzinu prijenosa naboja tijekom elektrokemijske reakcije.

Međutim, kada su istraživači pokušali izmjeriti brzine interkalacije litija, dobiveni rezultati nisu uvijek bili u skladu s brzinama predviđenim Butler-Volmerovom jednadžbom. Uz to, bilo je teško dobiti dosljedna mjerenja u različitim laboratorijima jer su različiti istraživački timovi izvještavali o mjerenjima za istu reakciju koja su se razlikovala za faktor do milijardu.

U novoj studiji MIT-ov tim mjerio je brzine interkalacije litija elektrokemijskim postupkom koji uključuje primjenu ponovljenih, kratkih napona na elektrodu.

Ova mjerenja generirala su za više od 50 kombinacija elektrolita i elektroda, uključujući litij-nikal-mangan-kobalt-oksid, koji se obično koristi u baterijama električnih vozila, i litij-kobalt-oksid, koji se nalazi u baterijama što napajaju većinu mobitela, prijenosnih računala i druge prijenosne elektronike.

Za ove materijale izmjerene brzine su mnogo niže nego što je prethodno bilo poznato i ne odgovaraju onome što bi predvidio tradicionalni Butler-Volmerov model.

Alternativna teorija

Istraživači su upotrijebili prikupljene podatke da bi osmislili alternativnu teoriju o tome kako se interkalacija litija događa na površini elektrode. Ova teorija temelji se na pretpostavci kako – da bi litijev ion ušao u elektrodu – elektron iz otopine elektrolita mora biti prenesen na elektrodu u isto vrijeme.

Prijenos iona spojenih elektrona (CIET) snižava energetsku barijeru koju je potrebno prevladati da bi došlo do interkalacije, čineći je vjerojatnijom. Matematički okvir CIET-a omogućio je istraživačima izradu predviđanja brzine reakcije, a ona su potvrđena eksperimentima i znatno se razlikuju od onih prema Butler-Volmerovom modelu.

Istraživači su također pokazali da mogu prilagoditi stope interkalacije promjenom sastava elektrolita. Naprimjer, zamjena različitih aniona može smanjiti količinu energije potrebne za prijenos litija i elektrona, čineći proces učinkovitijim.

Korišteni su automatizirani eksperimenti za izradu i testiranje tisuća različitih elektrolita, što potom biva korišteno za razvoj modela strojnog učenja za predviđanje elektrolita s poboljšanim funkcijama. Nalazi bi također mogli pomoći istraživačima u dizajniranju baterija koje bi se brže punile ubrzavanjem reakcije interkalacije litija.

Drugi cilj je smanjenje nuspojava koje mogu uzrokovati degradaciju baterije kada se elektroni oduzmu s elektrode i otope u elektrolitu. Istraživanje su financirali Shell International Exploration and Production i Toyota Research Institute, piše MIT News.