Nowe, łatwe w produkcji, wysokowydajne elektrody węglowe z mikrosiecią mogą wkrótce zostać wykorzystane do produkcji tańszych akumulatorów zasilanych łatwo dostępnymi jonami sodu. Wyniki prac zostały opublikowane przez naukowców i współpracowników z Uniwersytetu Tohoku w czasopiśmie Small. Stanowią kolejny krok do zastąpienia baterii litowo – jonowych, tanim, bardziej ekologicznym i dostępnym odpowiednikiem.
Baterie litowo-jonowe są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, od smartfonów po samochody elektryczne, ze względu na ich wysoką wydajność i zdolność do przechowywania dużych ilości energii. Produkcja tych baterii jest jednak kosztowna, zapasy metalu szybko się wyczerpują, a jego wydobycie może być szkodliwe dla środowiska. Naukowcy chcą obniżyć koszty produkcji baterii i znaleźć sposób na uwolnienie potencjału szerzej dostępnych jonów sodu.
Dr Akira Kudo, materiałoznawca z Uniwersytetu Tohoku, student Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles Yuto Katsuyama wraz z kolegami, szukają sposobów na osiągnięcie wysokiej wydajności i niskich kosztów produkcji baterii poprzez zwiększenie ilości obciążonych materiałów aktywnych używanych do ich wytworzenia w jednym ogniwie. Zmniejszyłoby to ilość nieaktywnych materiałów używanych do wiązania ze sobą wielu komórek. Wymaga to jednak wytworzenia grubszych elektrod, które ograniczyłyby ruch jonów – a tym samym ładunku elektrycznego – w akumulatorze.
Kudo i jego zespół rozwiązali ten problem, opracowując technologię, która umożliwia wytwarzanie mikroarchitektonicznych, wysokowydajnych, ujemnie naładowanych (anodowych) elektrod.
Drukowane w 3D kraty zostały przygotowane w trzech różnych rozmiarach. Karbonizacja poprzez pirolizę skurczyła elektrodę i zwiększyła jej wydajność. © Uniwersytet Tohoku
Podejście polega na wykorzystaniu stereolitografii 3D do drukowania struktur mikrosieci wykonanych z żywicy. Mikrosieci są następnie obkurczane poprzez ich karbonizację w procesie zwanym pirolizą. Stwierdzono, że powstałe twarde anody węglowe umożliwiają szybki transport jonów wytwarzających energię. Ponadto, gdy zespół udoskonalił strukturę sieci, poprawiła się jej wydajność. – W miarę jak drukarki 3D zyskują coraz większą rozdzielczość, akumulatory sodowo-jonowe mogą ostatecznie przewyższyć funkcjonalność akumulatorów litowo-jonowych – powiedział Akira Kudo, materiałoznawca z Uniwersytetu Tohoku.
Następnie zespół zamierza wykorzystać to samo podejście do wytwarzania dodatnio naładowanych elektrod (katod). Ostatecznym celem jest wykorzystanie tych precyzyjnie zaprojektowanych elektrod do produkcji wysokowydajnych, ekonomicznych akumulatorów sodowo-jonowych.
Zmniejszenie rozmiarów opracowanej siatki węglowej elektrod akumulatora w sposób zasadniczy zwiększa gęstość energii w całym akumulatorze, eliminując wiele nieaktywnych komponentów, jednocześnie zmniejszając rozmiar akumulatora i obniżając koszty jego składników.
W swojej pracy autorzy zademonstrowali baterie sodowo-jonowe wykorzystujące twarde mikrosieci węglowe produkowane przez niedrogą drukarkę 3D. Otrzymane wyniki przyspieszą rozwój wysokowydajnych i tanich anod do akumulatorów sodowo-jonowych, a także pomogą w zrozumieniu mechanizmów wiązania jonów w twardym węglu. Rozszerzą także użyteczność drukowanych w 3D architektur węglowych zarówno w zastosowaniach praktycznych, jak i badaniach podstawowych.
Źródła: Uniwersytet Tohoku, Wiley Online Library – Nano Micro Small.
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
