BAM identyfikuje izotopy litu jako narzędzie diagnostyczne do oceny starzenia baterii
Żywotność baterii litowo-jonowych jest ograniczona skomplikowanymi procesami starzenia, których przyczyny często trudno jest rozróżnić. Badacze z BAM wykazali, że badanie izotopów litu wewnątrz komórek może dostarczyć cennych informacji, jak wyjaśniają w artykule opublikowanym w czasopiśmie _ACS Energy Letters_.
Konkretnie zespół kierowany przez Carlosa Abada i Beatrice Battistellę wykorzystał rozkład dwóch izotopów litu wewnątrz komórki jako narzędzie diagnostyczne do badania procesów starzenia. Kluczowe odkrycie: „Ich charakterystyczne ślady i wzory stanowią odcisk palca mechanizmów degradacji”, stwierdza komunikat prasowy BAM.
Tło sytuacji polega na tym, że wiele złożonych procesów zachodzących wewnątrz baterii przyczynia się do jej degradacji. „Do dziś nie rozwiązano problemu dokładnego zidentyfikowania tych mechanizmów starzenia się oraz odróżnienia ich od siebie. Chociaż konwencjonalne metody diagnostyczne wskazują, że bateria się starzeje, często dostarczają jedynie ograniczonych informacji na temat tego, kiedy, gdzie i za pomocą jakiego mechanizmu następuje degradacja”, wyjaśnił Federalny Instytut Badań i Testowania Materiałów (BAM).
Nowo opracowana metoda wykorzystuje fakt, że naturalny lit składa się z dwóch izotopów: litu-6 oraz nieco cięższego litu-7. Są to warianty tego samego pierwiastka chemicznego o różnej liczbie neutronów, jak wyjaśnia zespół badawczy. W nowych bateriach oba izotopy litu są rozłożone w tym samym stosunku co we wszystkich naturalnych złożach tego metalu alkalicznego, czyli 2,4 procenta na 97,6 procenta.
Badacze dokładnie przeanalizowali baterię litową z katodą wykonaną z tlenku litu-nikielu-manganu-kobaltu oraz anodą z grafitu. Według naukowców lit-6 zaczął gromadzić się preferencyjnie w anodzie już po kilku cyklach ładowania. Po kolejnych 280 cyklach efekt ten się wzmocnił, natomiast katoda wykazała znacznie wyższy zawartość litu-7. Jednocześnie pojemność komórek spadła.
Zgodnie z BAM, wykrycie to stało się możliwe dzięki wysokorozdzielczej formie spektrometrii mas, która umożliwiła określenie rozkładu izotopów litu warstwa po warstwie w całej głębokości elektrod. Badania przeprowadzono we współpracy z Nu Instruments Ltd. w Wielkiej Brytanii oraz z Instytutem Leibniza do Badań nad Stanem Stałym i Materiałami w Dreźnie (IFW Dresden).
Dla technologii BAM znaczenie tych wyników polega przede wszystkim na ich potencjalnym zastosowaniu do dokładnych pomiarów: zamiast wykrywać starzenie się jedynie poprzez spadek pojemności, w przyszłości można będzie je monitorować znacznie wcześniej na podstawie śladów pozostawionych przez izotopy litu w komórce baterii. „To umożliwia dokładniejsze zrozumienie mechanizmów starzenia się i jest ostatecznie kluczowe dla bardziej celowego udoskonalania baterii oraz dokładniejszego przewidywania ich żywotności”, konkluduje instytut.