Převratný objev: desetkrát větší kapacita Li-ion baterií

Zní to dost šíleně, ale je to tak. To vše díky nanotechnologiím a tomu, že si pár vědců hrálo s pěstováním křemíku.

Po „papírových bateriích“ tu máme další objev související s nanotechnologií a bateriemi, se kterým tentokrát přišla Stanfordská univerzita.

S novou technologií má být možné dosáhnout desetinásobku kapacity klasických lithium-iontových baterií. Zásluhu na tom má mít náhrada v současné době převážně používaných uhlíkových anod křemíkem.

U klasických lithium iontových baterií se využívá uhlíkových plátků oddělených izolátorem.

Křemík má v současnosti největší známou teoretickou kapacitu, která je více než desetkrát vyšší, než v případě uhlíku. Doposud jej ale nebylo možné využívat proto, že se při absorpci lithiových iontů jeho objem přibližně čtyřikrát zvětší. V případě tenkých filmů křemíku to znamenalo, že po několika nabíjecích a vybíjecích cyklech došlo k drolení kompaktní křemíkové vrstvy a výraznému úbytku kapacity. Ani záměna filmu za menší částice křemíku příliš nepomohla – rozpadající se částice ztrácely kontakt s kolektorem.

Klepněte pro větší obrázek 

Vědci využili poznatků ze starších experimentů s „jednorozměrnými“ nanotrubičkami z uhlíku a dalších oxidů, a na kovovém kolektoru „vypěstovali“ podobné nanodrátky z křemíku. Pro jejich výrobu lze použít proces napařování křemíku na kolektory z nerezové oceli v argonové atmosféře s využitím dvou lithiových fólií jako elektrod. Pro tento proces není zapotřebí využívat žádných šablon ani masek tak, jako je tomu při výrobě procesorů.

Malý průměr drátků a jejich rozmístění jim umožňuje změnu objemu, při které nedochází k poškození materiálu podobně jako u spojité vrstvy křemíku či u částic o rozměrech v řádech mikronů.

Díky způsobu, jakým drátky vznikají, je každý z nich spojený s kolektorem, takže je lze všechny  využít pro ukládání energie. Další výhodou je to, že se náboj pohybuje pouze ve směru drátku a díky tomu, že je každý nanodrátek spojený s kolektorem, není zapotřebí dalších materiálů a spojů, které by zbytečně zvyšovaly hmotnost článků.

Na následující fotografii jsou snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu – na prvním z nich jsou zachycené nanodrátky před a na druhém po nabití – obojí při stejném zvětšení.

Klepněte pro větší obrázek 

Na další fotografii jsou snímky z transmisního elektronového mikroskopu, se kterými vědci ověřovali, nakolik se objem nanodrátků při nabíjení a vybíjení mění. Na fotografii c je nanodrátek potažený vrstvou niklu před nabitím. Po nabití a nárůstu objemu křemíku se niklová vrstva roztáhla a potrhala, po opětovném vybití zůstal niklový obal roztažený a křemík uvnitř se smrskl. Nenechte se zmást různou šířkou drátku, obrázek d je v pětkrát menším měřítku. Spirálovité zatočení porušeného obalu dokládá, že se naodrátek při nabíjení natahuje i do délky.

Klepněte pro větší obrázek

Při prvním nabíjecím a vybíjecím cyklu dochází k nevratné ztrátě asi čtvrtiny teoretické maximální kapacity křemíkových anod. V druhém nabíjecím cyklu už je účinnost těchto baterií kolem devadesáti procent a s dalšími cykly už jen mírně degradují.

Poslední obrázek zachycuje křemíkové nanodrátky během prvního nabíjecího cyklu.

Klepněte pro větší obrázek

S ohledem na to, že lze k výrobě křemíkových nanodrátků využívat současné technologie, by neměl být velký problém uvést tuto technologii rychle do praxe. O objev již projevilo zájem několik společností, detaily ale profesor Yi Cui, který vedl výzkumný tým, nezveřejnil. Uvedl také, že zvažuje založení společnosti pro výrobu baterií nebo zadání zakázky některému ze stávajících výrobců baterií. Produkce baterií s křemíkovými nanodrátky bude prý vyžadovat jeden či dva odlišné výrobní kroky, ale výroba ve velkém měřítku by neměla dělat problémy.

Baterie využívající nové technologie by mimo napájení notebooků a mobilních zařízení také mohly být startovacím impulzem k rozvoji elektromobilů. Cui předpokládá, že by bylo možné využívat je i v domácích podmínkách pro ukládání elektrické energie ze solárních panelů.

Všichni autoři zahraničních zpráv už se vidí s notebookem s dvaceti či čtyřicetihodinovou výdrží, který bez problémů ustojí na baterie transatlantický let, ale obavám se, že tato vize je až příliš optimistická.

Raději budeme doufat, že pokud se tato technologie skutečně v dohledné době dostane do praxe, nebudou to výrobci hardwaru brát jako něco, díky čemu se mohou zase vykašlat na dražší úsporné komponenty, a producenti baterií jako impulz k výrobě desetkrát menších akumulátorů se stejnou kapacitou, abychom nebyli zase na svých dvou a půl hodinách běžné práce na baterie.

Zdroj: Stanford University

Témata článku: Baterie, Uhlík, Nerezová ocel, Kapacita, Nabíjení, Objev, Převratný objev, Poslední obrázek, Nový elektromobil, První experiment, Elektromobil, Stanfordská univerzita, Lithiová baterie, Tenký film, Mikroskopy, První elektromobil, Klasický problém, Oxid, Tenká atmosféra, Lithium

Určitě si přečtěte

Tesla chce změnit nákladní dopravu. Její elektrický náklaďák má ohromující parametry

Tesla chce změnit nákladní dopravu. Její elektrický náklaďák má ohromující parametry

** Tesla představila elektrický kamion ** Má obdivuhodný výkon i dojezd ** Prodávat by se měl už za dva roky

Včera | Vojtěch Malý | 122

30 počítačových brzd, které vám zpomalí Windows

30 počítačových brzd, které vám zpomalí Windows

Na webu najdete hromadu rad, jak zrychlit počítač a Windows. My jsme na to šli opačně a naopak jsme hledali činnosti, které ho nejvíce zpomalují. Toto je třicítka těch základních.

12.  11.  2017 | Jakub Čížek | 90

Elektronika, která nepotřebuje kabel ani baterii. Živí se rádiovým šumem

Elektronika, která nepotřebuje kabel ani baterii. Živí se rádiovým šumem

** Každá elektrická krabička má konektor pro napájení nebo baterii ** Jenže pozor, jednou by to tak nemuselo být ** Drobná elektronika se může živit rádiovými vlnami

14.  11.  2017 | Jakub Čížek | 15


Aktuální číslo časopisu Computer

Otestovali jsme 5 HDR 4K televizorů

Jak natáčet video zrcadlovkou

Vytvořte si chytrou domácnost

Radíme s koupí počítačového zdroje