Charakterystyka nowych materiałów do budowy akumulatorów
Zaspokojenie globalnego zapotrzebowania energetycznego w zrównoważony sposób oraz zmniejszenie zależności od paliw kopalnych to jedne z najpilniejszych wyzwań XXI wieku. Akumulatory litowo-jonowe posiadają liczne zalety. Urządzenia te zrewolucjonizowały elektronikę użytkową, szybko zdobywają rynek sprzętu elektrycznego i najpewniej zdominują sektor magazynowania energii pochodzącej z sieci energetycznych. W ramach finansowanego ze środków UE projektu IONELECTRO (Molecular origins of electrochemical energy storage properties in lithium-ion batteries and supercapacitors) zbadano działające w skali atomowej mechanizmy umożliwiające racjonalne opracowywanie ulepszonych akumulatorów litowo-jonowych. Struktura jest zawsze ściśle powiązana z funkcją, i nie inaczej jest w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Jednakże struktury amorficzne i defekty trudno analizować na poziome atomowym lub poziomie transportu jonów. Wykorzystując nowoczesne oraz nowo opracowane metody spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), naukowcy poznali ważne szczegóły materiałów do budowy elektrod i elektrolitu akumulatorów litowo-jonowych nowej generacji. Uczeni opracowali nową technikę eksperymentalną opartą na NMR, aby zidentyfikować i scharakteryzować lokalne struktury i środowiska litowe w zawierających lit elementach w stanie stałym, a także występujące w skali atomowej defekty w krystalicznych elektrodach akumulatorów litowo-jonowych. Udało się zbadać właściwości litu w różnych środowiskach w skali atomowej na niespotykanym wcześniej poziomie szczegółowości. W odróżnieniu od innych technik, które wskazywały, że jeden z obiecujących materiałów elektrod akumulatorów litowo-jonowych nowej generacji (LiVPO4F) jest bardzo dobrze skrystalizowany, nowe eksperymenty dowiodły, że ma on wiele defektów, oraz umożliwiły poznanie ich natury. Trwają badania przyczyn tego zjawiska oraz jego wpływu na właściwości elektrochemiczne. Różnice w lokalnych środowiskach litu stwierdzono także w dwóch postaciach innego wysoce obiecującego materiału na elektrody (Li2Fe(SO4)2). Stałe elektrolity polimerowe są niepalne i generalnie bezpieczniejsze niż ciekłe elektrolity organiczne. Nowe techniki NMR dostarczyły informacji na temat sposobu dyfuzji jonów w różnych skalach czasowych i długościowych w różnych elektrolitach polimerowych. Pełniejsza wiedza na temat elektrochemicznej natury materiałów do budowy akumulatorów litowo-jonowych w skali atomowej powinna pomóc naukowcom w stworzeniu racjonalnie zaprojektowanych, a tym samym doskonalszych elektrod oraz elektrolitów stałych. Osiągnięcia te będą miały bardzo duże znaczenie dla przyszłości światowej energetyki oraz zmniejszenia zależności od spalania paliw kopalnych tak ważnego dla stanu naszej planety.
