Vlevo amorfní struktura nové elektrody, vpravo krystalická struktura. Kredit: Argonne National Laboratory.

Lithiové baterie mají řadu problémů. Jedním z největších je tvorba dendritů, vláknitých struktur, které se objevují na rozhraní mezi anodou, obvykle grafitovou, a elektrolytem lithiové baterie. Dendrity zhoršují výkon baterie. Mohou ji také zkratovat, přehřát nebo dokonce zapálit. Ke tvorbě dendritů přitom dochází při vyšších rychlostech nabíjení, které jsou přitom jedním z cílů snah o vylepšení baterií.

Hui (Claire) Xiong.

Kredit: Boise State University.

Materiálová vědkyně Hui (Claire) Xiong z americké Boise State University a její spolupracovníci vyvinuli nový materiál pro elektrody, který umožňuje mnohem rychlejší nabíjení lithiových baterií. Funguje zcela pozoruhodným způsobem. Během procesu nabíjení proměňuje svou krystalickou strukturu. Vznikne nová forma materiálu, která umožňuje snazší pohyb iontů lithia. Prakticky tím odstranili zmíněnou Achillovu patu konvenčních lithiových baterií, kterým hrozí riziko dendritů.

Logo. Kredit: Boise State University.

Zásadní roli v tomto výzkumu sehrál oxid niobičný Nb₂O₅. Atomy této látky lze uspořádat do celé řady stabilních konfigurací. Vědci našli vcelku pohodlný způsob, jak toho dosáhnout. Nejprve udělali z oxidu niobičného anodu knoflíkové baterie. Ze začátku to byl amorfní materiál, neuspořádaná změť atomů. Pak se ale ukázalo, že po několika cyklech vybití a opětovného nabití se atomy oxidu niobičného přeskupí do uspořádané krystalické struktury.

Jde o nanostrukturu, jakou vědci doposud neviděli nebo ji přinejmenším nepublikovali. Tým Xiongové ji označuje jako „cubic rock-salt framework“, pro její blízkost krystalické struktuře kamenné soli. Tato nanostruktura umožňuje mnohem snazší transport lithiových iontů k anodě během nabíjení baterie. Výsledkem tohoto fenoménu je velmi slušná stabilita baterie s touto elektrodou při vysokých rychlostech nabíjení. Vědci doufají, že jejich přístup bude možné využít při vývoji dalších nových materiálů pro baterie nebo třeba polovodiče.

Literatura

New Atlas 8. 9. 2022.

Nature Materials 21: 795–803.