Innowacyjna elektroda akumulatorowa wykonana z pianki cynowej

Elektrody na bazie metalu w akumulatorach litowo-jonowych zapewniają znacznie większą pojemność niż konwencjonalne elektrody grafitowe. Niestety, ulegają one degradacji na skutek naprężeń mechanicznych podczas cykli ładowania i rozładowywania. Zespół HZB wykazał, że wysoce porowata pianka wykonana z cyny może znacznie lepiej pochłaniać naprężenia mechaniczne występujące podczas cykli ładowania. To sprawia, że ​​pianki cynowe stają się interesującym potencjalnym materiałem do produkcji baterii litowych.

W nowoczesnych akumulatorach litowo-jonowych stosuje się zazwyczaj wielowarstwową elektrodę grafitową, natomiast elektroda przeciwna jest często wykonana z tlenku kobaltu. Podczas ładowania i rozładowywania jony litu migrują do grafitu, nie powodując znaczących zmian objętości materiału. Jednakże właściwości grafitu są ograniczone, co sprawia, że ​​poszukiwanie alternatywnych materiałów staje się pasjonującym obszarem badań. Elektrody na bazie metalu, na przykład aluminiowe lub cynowe, potencjalnie oferują większą pojemność. Jednakże po wchłonięciu litu następuje znaczne zwiększenie jego objętości, co wiąże się ze zmianami strukturalnymi i zmęczeniem materiału.

Jedną z możliwości wytworzenia elektrod metalowych, które wolniej ulegają zmęczeniu, jest nanostrukturyzacja cienkich folii metalowych. Inną możliwością jest zastosowanie porowatych pianek metalowych. Cyna jako metal jest szczególnie atrakcyjna, gdyż jej zdolność wydobywcza na kilogram jest prawie trzykrotnie większa niż grafitu, a ponadto nie jest surowcem rzadkim, lecz powszechnie dostępnym.

Zespół badawczy z Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zbadał różne rodzaje elektrod cynowych w procesie rozładowania i ładowania, wykorzystując w tym celu operacyjne obrazowanie rentgenowskie, i opracował innowacyjne podejście mające na celu rozwiązanie tego problemu. Część tych dochodzeń miała miejsce na linii BAM w BESSY II. Dodatkowo, we współpracy ze specjalistą w dziedzinie obrazowania, dr. Haydnem, wykonano zdjęcia rentgenowskie o wysokiej rozdzielczości. Nikołaj Kardjilov i dr. André Hilger w HZB. „W ten sposób mogliśmy śledzić zmiany strukturalne w badanych elektrodach na bazie metalu Sn podczas procesów ładowania/rozładowywania” – mówi dr. Bouchra Bouabadi, która przeprowadziła badanie eksperymentalne. We współpracy z ekspertem ds. akumulatorów, dr. Sebastian Risse pokazuje, w jaki sposób morfologia elektrod cynowych zmienia się w trakcie pracy na skutek niejednorodnej absorpcji jonów litu.

Najlepszą wersję elektrody cynowej wykonał dr. Francisco Garcia-Moreno: Pianka wykonana z cyny z niezliczoną ilością porów wielkości mikrometrów. „Udało nam się wykazać, że w przypadku takiej pianki cynowej, podczas zwiększania objętości występuje znacznie mniej naprężeń mechanicznych” – mówi dr. spękanie. To sprawia, że ​​pianki cynowe stają się interesującym potencjalnym materiałem do produkcji baterii litowych.

Garcia-Moreno zbadała już wiele pianek metalowych, m.in. te wykorzystywane w komponentach przemysłu motoryzacyjnego oraz pianki aluminiowe wykorzystywane w elektrodach akumulatorów. „Pianki cynowe, które opracowaliśmy na TU Berlin, są bardzo porowate i stanowią ciekawą alternatywę dla tradycyjnych materiałów elektrodowych” – mówi. Strukturyzacja pianek cynowych ma kluczowe znaczenie dla maksymalnej redukcji naprężeń mechanicznych. Technologia pianki cynowej może być również interesująca z ekonomicznego punktu widzenia: „Chociaż pianka cynowa jest droższa od konwencjonalnej folii aluminiowej, oferuje ona bardziej opłacalną alternatywę dla kosztownej nanostrukturyzacji, a jednocześnie jest w stanie przechowywać znacznie więcej jonów litu, co umożliwia zwiększenie pojemności”.