BAM identyfikuje izotopy litu jako narzędzie diagnostyczne do oceny stanu baterii.

Naukowcy z Federalnego Instytutu Badań i Testowania Materiałów odkryli, że rozkład dwóch izotopów litu w komórkach przypomina odcisk palca i jest bezpośrednio powiązany z procesami degradacji. To odkrycie ma pomóc w lepszym zrozumieniu mechanizmów starzenia się baterii.

Zdjęcie ilustracyjne: Typowa bateria wysokiego napięcia do samochodów elektrycznych.

Zdjęcie: Stellantis

Żywotność baterii litowo-jonowych jest ograniczana przez złożone procesy starzenia, których przyczyny często trudno jest od siebie odróżnić. Badacze z BAM mogli wykazać, że warto przyjrzeć się bliżej izotopom litu w komórkach, jak wyjaśniają w artykule opublikowanym w czasopiśmie specjalistycznym ACS Energy Letters.

Konkretnie zespół Carlosa Abada i Beatrice Battistelli wykorzystał rozkład dwóch izotopów litu w komórce jako narzędzie diagnostyczne do badania procesów starzenia. Główny wniosek brzmi: „Ich charakterystyczne ślady i wzory dostarczają informacji o mechanizmach degradacji”, jak podano w komunikacie BAM.

Tło sprawy polega na tym, że wewnątrz baterii dochodzi do kilku złożonych procesów, które odpowiadają za jej degradację. „Do tej pory nie udało się rozwiązać problemu jednoznacznego zidentyfikowania tych mechanizmów starzenia i odróżnienia ich od siebie. Tradycyjne metody diagnostyczne wprawdzie pokazują, że bateria się starzeje, ale często dostarczają jedynie ograniczonych informacji na temat tego, kiedy, gdzie i przez jaki mechanizm następuje degradacja”, opisuje Federalna Agencja obecną sytuację.

Nowo opracowana metoda wykorzystuje fakt, że naturalne lit składa się z dwóch izotopów – litu-6 i nieco cięższego litu-7. Są to warianty tego samego pierwiastka chemicznego o różnej liczbie neutronów, jak stwierdził zespół badawczy. W nowych bateriach oba izotopy litu są rozłożone tak samo jak we wszystkich naturalnych złożach tego metalu alkalicznego, czyli w stosunku 2,4 do 97,6 procent.

Badacze konkretnie przebadali baterię litową z katodą z tlenku litu-niklu-manganu-kobaltu (NMC) oraz anodą z grafitu. Już po pierwszych cyklach ładowania, według naukowców, lit-6 gromadził się przede wszystkim na anodzie. Po kolejnych 280 cyklach efekt ten się wzmocnił, podczas gdy katoda wykazywała znacznie wyższe zawartości litu-7. Jednocześnie spadła pojemność komórek.

Zgodnie z informacjami BAM możliwe stało się potwierdzenie tego faktu dzięki wysokorozdzielczej formie spektrometrii mas, która umożliwiła określenie rozkładu izotopów litu warstwowo na całej głębokości elektrod. Badania przeprowadzono we współpracy z Nu Instruments Ltd. w Wielkiej Brytanii oraz z Instytutem Leibniza do Badań nad Ciałami Stałymi i Materiałami w Dreźnie (IFW Dresden).

„Rozkład izotopów litu dostarcza zatem bezpośrednich informacji na temat procesów starzenia się baterii litowo-jonowych. Izotopy działają jak naturalne markerzy – ich rozkład pokazuje nam, w jaki sposób lit wędruje podczas pracy baterii oraz w których miejscach występują zmiany”, podsumowuje Beatrice Battistella. Badacze mogli ponadto udowodnić, że te ślady są ściśle powiązane z utratą pojemności baterii.

Dla BAM znaczenie tych wyników polega przede wszystkim na możliwościach ich zastosowania do dokładnych pomiarów: zamiast rozpoznawać starzenie się wyłącznie po utracie pojemności, w przyszłości będzie można je śledzić znacznie wcześniej na podstawie śladów pozostawionych przez izotopy litu w komórce baterii. „To umożliwia dokładniejsze zrozumienie mechanizmów starzenia się i jest ostatecznie kluczowe, aby skuteczniej udoskonalać baterie oraz dokładniej przewidywać ich żywotność”, brzmi wniosek.