Atrasta netikėta ličio baterijų išsikrovimo priežastis – tarp išradėjų ir KTU mokslininkas

Savaiminis ličio jonų baterijų išsikrovimas ne tik neleidžia ilgai naudotis elektroniniais įrenginiais, bet ir sutrumpina jų gyvavimo trukmę.

Įrenginius reikia keisti naujais, o tai – ir brangu, ir kenkia gamtai. Nors ilgą laiką buvo manoma, jog savaiminis išsikrovimas yra susijęs su ličio jonų praradimu, dėl ko ilgainiui mažėja baterijų talpa ir įtampa, neseniai tarptautinės mokslininkų komandos padarytas atradimas leidžia manyti kitaip.

Tyrimas, paskelbtas garbingame mokslo žurnale „Science“, padeda naujai suprasti baterijų veikimo trukmę ir siūlo kovos su savaiminiu išsikrovimu strategijas, kurios galėtų pagerinti įvairių prietaisų – nuo išmaniųjų telefonų iki elektrinių transporto priemonių – veikimą.

Tarp išradėjų – ir Artūras Vailionis, Stanfordo universiteto Rentgeno spindulių ir paviršių analizės grupės pagrindinis tyrėjas, Kauno technologijos universiteto (KTU) Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto profesorius.

„Mūsų tyrimas parodė, kad savaiminis baterijos išsikrovimas yra sąlygojamas vandenilio jonų difuzijos iš elektrolito į baterijos katodą. Remiantis šios studijos rezultatais, galima siūlyti būdus, kaip prailginti baterijos gyvavimo trukmę, sumažinant savaiminį išsikrovimą“, – teigia A. Vailionis.

Pasak jo, elektrolitui galima būtų rinktis priedus, kuriuose nėra vandenilio molekulių, pavyzdžiui, CH2, arba katodą būtų galima dengti specialiai danga, kad sumažinti katodo paviršiaus reakciją su elektrolitu.

Galimybė kurti ekologiškesnes ir ekonomiškesnes technologijas

Prof. A. Vailionis aiškina, kad savaiminis išsikrovimas sutrumpina tiek kalendorinį, tiek ciklinį akumuliatoriaus tarnavimo laiką, o laikui bėgant mažėja jo įtampa ir talpa. Ribotas ličio akumuliatoriaus tarnavimo laikas turi poveikį aplinkai ir ekonomikai, todėl svarbu suprasti šią problemą ir užkirsti jai kelią.

Atradus visiškai naują reiškinį, lemiantį savaiminį baterijų išsikrovimą, atsiveria galimybės kurti ekologiškesnes, ekonomiškesnes ir patikimesnes technologijas.

„Ilgesnis baterijos tarnavimo laikas reiškia, kad vartotojams reikia rečiau keisti jas ar elektroninius prietaisus. Tai padeda sumažinti elektroninių atliekų kiekį ir tausoja gamtą – ličio, kobalto ir nikelio ištekliai yra riboti – taip skatinant tvaresnes gamybos ir naudojimo praktikas“, – sako A. Vailionis.

Įrenginius su ilgai veikiančiomis baterijomis, pavyzdžiui, išmaniuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius ir kitus, galima naudoti ilgiau jų neįkraunant, o pramonėje, kur naudojamos didelės baterijų sistemos (pvz., elektromobiliai ar energijos kaupimo tinklai), ilgesnis baterijų veikimo laikas reiškia didesnę investicijų grąžą, todėl šios technologijos tampa ekonomiškesnės.

Be to, atsinaujinančiosios energijos sistemose, tokiose kaip saulės ir vėjo energija, ilgesnis akumuliatorių tarnavimo laikas padidina energijos kaupimo veiksmingumą ir patikimumą, padeda stabilizuoti energijos tiekimą ir mažina priklausomybę nuo iškastinio kuro.

Kadangi ličio jonų akumuliatoriai taip pat naudojami medicinos prietaisuose, aviacijos ir gynybos sistemose, ilgesnis akumuliatoriaus veikimo laikas sumažina gedimo pavojų kritinėse padėtyse.

„Apskritai ilgesnis akumuliatoriaus veikimo laikas padidina tvarumą, ekonomiškumą ir našumą įvairiose pramonės srityse“, – priduria A. Vailionis.

Lietuva pasikeitė neatpažįstamai

Prof. A. Vailionis pabrėžia, kad tyrimo rezultatai pasiekti kartu dirbant didelei tarptautinei įvairių sričių mokslininkų grupei. A. Vailionio komanda iš Stanfordo universiteto, naudodama rentgeno spindulių difrakciją, katode nustatė dvi skirtingas struktūras: vieną – paviršiuje (tą, kurią veikia vandenilio jonai), o kitą – giliau katodo viduje.

Rentgeno spindulių reflektometrija patvirtino, kad egzistuoja paviršinis sluoksnis su vandenilio atomais.

A. Vailionis jau 13 metų atvyksta dėstytojauti į KTU. Kasmet jis skaito rentgeno spindulių difrakcijos kursą fizikos studijų programų studentams ir dalyvauja bendruose projektuose su KTU mokslininkais.

„Nuo tada, kai išvykau, Lietuva pasikeitė neatpažįstamai: universitetai gauna kur kas geresnį finansavimą, gali naudotis Europos fondais. Mokslininkai ir doktorantai turi puikias galimybes išvykti studijuoti į kitus universitetus ir mokslo įstaigas, vykti į konferencijas ir dalytis savo tyrimų rezultatais“, – sako KTU vizituojantis profesorius.

Pasak jo, pasikeitė ir lietuvių studentai: „Paskaitų metu jie daug aktyvesni nei mano laikais, be to, nekyla problemų dėl anglų kalbos.“

Tyrimas „Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes“ buvo paskelbtas „Science“ žurnale, o jį rasti galima čia.