Nanodiamanty: klíč k elektrodě z kovového lithia

Václav Diopan - 09 Listopad 2017

Očekává se, že lithium-iontová bateriová technologie postupným vylepšováním dosáhne úžasné energetické hustoty. Možné teoretické limity redoxního páru Li/Li+ iluzi o růžové budoucnosti neodporují. Stačí pouze zvýšit v článcích obsah lithia, jehož přeměnou vzniká elektrický proud.Takto vypadají dendrity zinku vyrostlé na zinkové anodě alkalické baterie zobrazené rastrovacím elektronovým mikroskopem.

Takto vypadají dendrity zinku vyrostlé na zinkové anodě alkalické baterie zobrazené rastrovacím elektronovým mikroskopem.
foto: Engineering at Cambridge, Secondary Zinc Dendrites CC BY-NC-ND 2.0

Ví se přesně, co udělat k dosažení většího podílu lithia. Jsou to vlastně takové docela banální úvahy. Vývojové snahy však zatím naprosto selhávají v zajištění, aby to podle načrtnutých představ fungovalo.

Skvělý pokrok by byl například zavedení anody z kovového lithia. U klasických lithium-iontových článků anodu tvoří grafit, který hostí lithium vmezeřené mezi hexagonálními vrstvami uhlíku.

V ideálním stavu obsazenosti třináct gramů nabité grafitové anody obsahuje pouze jeden gram lithia. Vyjádřeno v jiných srozumitelnějších číslech. Jeden gram lithia poskytuje specifickou kapacitu o velikosti 3860 mAh/g a lithiovaná grafitová anoda jen 340 mAh/g.

Z porovnání těchto čísel se odvodily zavádějící zprávy o desetinásobném teoreticky dosažitelném navýšení kapacity baterií. Mnohonásobné zlepšení kapacity se ovšem týká jenom anody. V přepočtu na celý článek nebude výhoda tak velká, přesto stále ohromující.

Teď poč to nejde? Během elektrodepozice (nabíjení) lithium rádo vytváří dendrity - miniaturním krápníkům podobné útvary. Ty rostou směrem k protielektrodě. Cestou k ní proděraví separátor, což se rovná zkratu, který může být katastrofální.

Vizuální podívaná s akustickým doprovodem u nejhoršího scénáře vzhledem k obsahu čistého lithia by byla efektnější, než známe u běžných grafitových článků. Bez použití nějakého fíglu nedávají dendrity šanci průmyslově vyráběným metalickým bateriím, kde musí být elektrody natěsnané blízko sebe pro dosažení patřičné objemové energie a nízké ceny.

I když nestojíme před nepřekonatelnou zdí a odborníci navrhli metody vhodné k potlačení růstu dendritů, jsou naše možnosti boje s nimi stále omezené.

Tým z Drexlerovy univerzity v Philadelfii a dalších institucí, který vede Yury Gogotsi, přišel nově na to, že přídavek nanodiamantů o velikosti 5-10 nm do elektrolytu účinně brání formování nepravidelných útvarů.

Ionty lithia (malé červené kuličky) obklopí částici nanodiamantu (velká zelená kulička) a společně se konvekcí v elektrickém poli pohybují k měděnému plechu. Tam od něho lithné ionty obdrží elektrony, které je přemění zásluhou nanodiamantu na ukázněnou kovovou vrstvu.

Ionty lithia (malé červené kuličky) obklopí částici nanodiamantu (velká zelená kulička) a společně se konvekcí v elektrickém poli pohybují k měděnému plechu. Tam od něho lithné ionty obdrží elektrony, které je přemění zásluhou nanodiamantu na ukázněnou kovovou vrstvu.
foto: Nature Communications 8, Article number: 336 (2017), CC BY 4.0

Popsal i mechanizmus, kterým tak činí. Ionty lithia se adsorbují na nanodiamanty a společně v elektrickém poli putují k podkladové elektrodě z mědi, kde se lithium redukuje na kov a usazuje v rovnoměrném uniformním povlaku. Diamantové částečky buď ve vzniklé vrstvě uvíznou, nebo se vrací zpátky do elektrolytu pochytat další ionty lithia a zopakovat celý děj znovu.

Vědci neučinili tento objev z čistého nebe. Kodepozice s nanodiamanty se průmyslově využívají při elektrolytickém pokovování. Zajišťují tvrdý, hladký a rovnoměrný povrch. Tedy vykonávají úplně stejnou funkci jak u experimentální lithiové elektrody.

To že nanodiamanty jsou součástí nákladově životaschopných postupů pokovování, naznačuje, že jejich cena nebude překážet ani při případném uvedení baterií s lithiovou elektrodou do reality. Navíc eliminace dendritů vyžaduje mnohem nižší koncentrace syntetických nanodiamantů (0,81 mg/ml) než galvanická tvorba kovových povlaků.

Gogotsi si prozatím není jist, zda dendrity nikdy nevyrostou, a proto předpokládá, že první opatrné použití technologie bude v méně důležitých aplikacích, nikoli v mobilních telefonech nebo elektromobilech. Dále bude potřeba zapracovat na opatřeních zajišťující větší bezpečnost a vyvážit tak přítomnost pyrotechnicky rizikového kovového lithia.

Literatura:
Nature Communications 8, Article number: 336 (2017) doi:10.1038/s41467-017-00519-2

vlastní
Zpět na HybridPřidat komentář
Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Je to sice fajn, ale chcelo by to zamerať takýto výskum na omnoho lacnejšie a dostupnejšie prvky. Napr. sodík, draslík, hliník. Myslím, že v tom je ešte neobjavený potenciál.

Obrázek uživatele ozana

Jsou to prvky levnější, ale také problematičtější.

---

Jezdím na proud, najeto 67 tisíc km. G-E STROMOS 7 let a 72 tisíc km.

Obrázek uživatele Jan Veselý

Aktuálně není pro pozemní dopravu energetická hustota baterií žádný problém, pro stacionární aplikace je současná energetická hustota až moc dobrá, problémem jsou cena článků a produkční kapacity.
Výrazně vyšší hustotu by to chtělo pro letectví.

Ja bych teda to, ze s sebou osobak musi vozit cca 25% (200-500kg) "mrtve" vahy navic rozhodne "žádný problém" nenazval... :)

---

Každý ignorovaný tro(t)l se počítá. Některý i víckrát...

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

No ale kedze ma EV podstatne lepsiu efektivitu nez spalovak tak to nevadi. Ked zohladnime efektivitu spalovaku tak ten aby sa vyrovnal EV musi niest viac nez 100% svojej vahy a to nehovorim o tom, ze spalovaky su tazsie nez EV bez baterie. Vasa uvaha co sa tyka EV je zla. Dnesne technologie su uz dostatocne pre pouzitie v EV. Jedine na com by som este popracoval je rychlost dobijania aby sa aspon priblizovala SCIB bateriam.

To jako ze ten efektivnejsi EV nad silnici levituje nebo jak tomu mam rozumet? Cca pred rokem byl na electreku (a to je sakra pro-Tesla web) clanek, ze nekteri vlastnici v Norsku maji problem, protoze Tesly jsou prilis tezke (tezsi nez stavajici auta), prijezdove cesty k barakum byvaji nezpevnene a kdyz zaprsi a cesta rozmokne, majitele maji problem se dostat domu. To mi prijde jako celkem dobre definovany problem souvisejici s hmotnosti.
A dalsi predpokladam budou souviset napr. s vyssi spotrebou, rychlosti ojizdeni pneu a vetsim poskozovanim vozovky (coz se samozrejme dnes viditelne neprojevuje, protoze tech aut je malo).

A co na tom, ze EV bez baterie nejede, hlavne, ze je lehci nez spalovak. Spalovak bez nadrze je taky lehci nez ten s nadrzi (a taky uplne k ho***, teda k nicemu)...

Dostatecne a "zadne problemy" nepovazuji za uplne to same. Ale co, nepovazuju EV za dokonale a bez jedine chybicky, to jsem ale hnusny kacir...

---

Každý ignorovaný tro(t)l se počítá. Některý i víckrát...

Obrázek uživatele Michelin

Já jsem si pohoršil jen o něco málo, a kolega je s Skem o 280kg lehčí než jeho předchozí auto...

---

To Tesla dává křídla. 57tis.km

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Tak ako pisem. Efektivnejsi je elektromotor vs. spalovak. To by ste mal vediet, nie?

Ano Tesly su tazke ale zase maju baterku 2x oproti EV ktore uz povazujem za auta a nie hracky. Dojazd maju nad 500km. To je trochu ina liga.

Co sa tyka vacsieho poskodozvania vozovky to si robite srandu? A co takto taky 20t kamion vs 2t tesla?

Netrolte! Aj spalovak bez nadrze je tazsi nez EV bez baterii. Kazdopadne chcem povedat ze tych 500kg navyse nie je zas az taky problem ako tu popisujete.

No EV bez chybicky nepovazuje asi nikto. Kazdy by chcel dojazd aj 1000km ale to co tu vacsinou popisujete vy su uplne nezmysly. Bohuzial

Tesly jsou příliš těžké na příjezdové cesty majitelů?
Záleží čím jezdili před Teslou.
Pokud porovnám velikostně a výkonově stejný vůz ( Mercedes-Benz S klasse), je to šul-nul.

---

2x Kia Soul EV
BMW i3

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

Ano, Tesly jsou velmi těžké.

Rok 2025, Strahovský tunel.
Ukrutná zácpa vozidel, řev řidičů.
Co se tam vpředu děje?
Ále, robotická Tesla se tám zmateně točí dokola, někteří kaskadéři se snaží ve vhodný moment projet, křupají plechy a sype se sklo. Poškozená vozidla hazardujících dále kolidují za nehodou, tunel je z obou stran neprůjezdný.
Muhehé...!

:O)))

Opravdu vtipné. Jen nevím jak to souvisí s hmotností vozidla?

---

2x Kia Soul EV
BMW i3

Ze by si Cipis dal Radovanuv garazovy test se svym rakovina sra*kometem a ted z toho trochu blouzni? :)

---

Každý ignorovaný tro(t)l se počítá. Některý i víckrát...

Obrázek uživatele Josef.

Ještě u Mercedesu se bude muset připočítat 90 kg benzínu :)

---

Elektromobilita vyřešena - KIA Soul EV
Nájezd na jedno nabití Praha a okolí max 220km

Zkousel jsem ten clanek dohledat, ale zatim jsem netrefil ta spravna klicova slova.

Vzhledem k tomu, co tam jezdi, tak nejspis Volvo kombik (v60), Octavia Scout nebo Golf.

---

Každý ignorovaný tro(t)l se počítá. Některý i víckrát...

Obrázek uživatele Jan Veselý

Jasně, že vyšší energetická hustota baterií bude fajn, ale není to "show stopper".
A ony ty baterky nejsou mrtvá váha, je to součást pohonného systému.
Snížení celkové hmotnosti auta lze docílit i jinak. Jde výrazně odlehčit kastli a v důsledku toho potřebovat vyprodukovat méně kinetické energie, tj. stačí i menší motor a baterka. Jde třeba mít auto s výrazně menší baterií a jezdit 80-90% času s ním a na těch pár dlouhých štrek připojit vozíček s range extenderem.
V ideálním světě by se asi využily všechny 3 možnosti a udělal by se 500kg Hypecar velikosti SUV s REx přívěsným vozíkem v ceně.

Vsak nic o "show stopperu" nepisu. Nicmene nejaky vliv to ma. A pokud odlehcim zbytek auta, tak na tom auto s tezkou baterii bude pomerove jeste hur.

Ad privesny REX - podle me v realu nepruchodne, kolik dnesnich ridicu dokaze couvnout s vozikem? A jak by vypadala dalnicni odpocivadla (parkovani pri dlouhych cestach), kdyby se naraz vyznamna cast vozidel prodlouzila o 1-2m?

---

Každý ignorovaný tro(t)l se počítá. Některý i víckrát...

Snadné couvání s přívěsným REXem už je vyřešeno.

https://www.youtube.com/watch?v=dHzecJGf48I
https://www.youtube.com/watch?v=rrM1yqVpi6M

Jak to funguje
https://www.youtube.com/watch?v=KtKmCIJC4Vo

---

Každej nahrazenej spalovák se počítá
Leave the oil in the soil and the coal in the hole.

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

No a kdybychom měli baterky s aspoň tří až pětinásobnou hustotou oproti současným tak bychom na nějaké range extenery mohli zapomenout

Obrázek uživatele Michelin

Ale vzdyt Prochazka s jeho keramickymi separatory uz to prece davno vyresil i bez diamantu... :-)

---

To Tesla dává křídla. 57tis.km

Vyřešil (?) pouze bezpečnost, životnost a lepší odvod tepla (tvrdí on). Článek píše primárně o znásobení kapacity použitím kovového lithia na anodě a zachování alespoň nějaké bezpečnosti a životnosti.

Obrázek uživatele Michelin

To byla přece ironie...

---

To Tesla dává křídla. 57tis.km

Pochopil jsem, ale i tak mi přišlo vhodné poukázat na to, že jde dvě naprosto nesouvisející věci, ať už berte Procházku vážně nebo ne.

Obrázek uživatele Michelin

Za mou osobu zní odpověď ne. :-)

---

To Tesla dává křídla. 57tis.km

Zaregistrujte se a pište komentáře pohodlněji!

No vidis, a vsem krome tebe je tvuj nazor uprdele, ale musis snim odtravovat.
Ted jenom vedet jestli ses blbej nebo arogandni, ale debil jsi urcite, nic jsi v zivote nedokazal, ale na sto pro vis ze je nekdo podvodnik, tomu se rika sebevedomi, asi budes mladej nadejnej manager :D

Obrázek uživatele Michelin

Ale pročpak hned tak silná slova.
Otázka zněla jestli beru Procházku vážně.
Těžko brát vážně jitrnici jakou svět neviděl. Před dvěma lety jsme chtěli od něj baterky, dostali jsme prd.
V září na For Archu jsem mluvil se zástupce firmy, která se zabývá fotovoltaikou a říkal, že s nimi vyjednávali tři roky a nedostali také ani prd.
Až uslyším od někoho, že má od Procházky baterku, která funguje pak budu upřímně rád, a budu mu fandit.

---

To Tesla dává křídla. 57tis.km

Obsah tohoto pole je soukromý a nebude veřejně zobrazen.
Standardní nastavení volby "Zasílání upozornění na email" můžete nastavit na stránce svého profilu.
Kontrola proti nevyžádaným příspěvkům
Absolováním testu nám pomáháte bojovat proti SPAMu. Děkujeme.


EVMapa.cz - mapa nabíjecích stanicŘízení stanic pro elektromobilyNabíječky elektromobilů CircontrolŘízení stanic pro elektromobilyKariéra EVC GroupProdej pneu 100% online

Newsletter


185.66.36.26