Raziskovalci s 3D tiskom do varnejših baterij

Litij-ionske baterije ostajajo glavni vir napajanja za večino naših prenosnih naprav, električnih avtomobilov in sistemov za shranjevanje obnovljive energije. Kljub njihovi nepogrešljivosti pa klasične baterije s seboj prinašajo precejšnja tveganja, predvsem zaradi uporabe kobalta v katodah. Kobalt je namreč znan po svoji strupenosti, zapletenih in etično spornih dobavnih verigah ter nagnjenosti k pregrevanju in vžigu ob morebitnem prenapolnjenju.

Ekipa znanstvenikov pod vodstvom Julie R. Greer je v laboratoriju Caltech pa je nedavno našla učinkovito alternativo. Kobalt so v celoti odstranili in ga nadomestili z litijevim železovim fosfatom, ki je vgrajen v posebno ogljikovo matriko. Ta material, krajše imenovan LFP, je v industriji že prepoznan kot izjemno stabilen in praktično odporen proti nevarnim kratkim stikom ali toplotnemu pobegu.

Vendar ima LFP sam po sebi veliko hibo. V običajnih pogojih polnjenje poteka relativno počasi, kar omejuje njegovo splošno uporabnost. Znanstveniki pa so to težavo zaobšli z inovativnim pristopom k sami obliki notranjosti baterije. Namesto standardnih ravnih oziroma dvodimenzionalnih elektrod so s pomočjo naprednega 3D-tiska ustvarili zapleteno tridimenzionalno strukturo katode.

Prehod na 3D-zasnovo drastično poveča aktivno površino, kjer se kemična energija pretvarja v električni tok. Tekoči elektrolit potuje skozi to natisnjeno strukturo, ki spominja na labirint, kar pomeni, da ima tekočina v vsakem trenutku neposreden stik s trdno površino elektrode. Posledično se močno skrajša pot, ki jo morajo delci oziroma ioni »prepotovati« med katodo in separatorjem. Baterija lahko zato shranjeno energijo sprosti veliko hitreje, kar neposredno poveča njeno energijsko gostoto in hitrost delovanja.

Čeprav so rezultati laboratorijskih testov izjemno obetavni, je ta tehnologija še vedno v zelo zgodnji fazi razvoja. Izdelava tako zapletenih 3D-struktur v velikem obsegu predstavlja ogromen proizvodni izziv, ki bo zahteval leta optimizacije, preden bomo te baterije dejansko videli v vsakdanjih napravah.

Raziskovalna ekipa, katere študija je bila objavljena v strokovni reviji ACS Energy Letters, že načrtuje naslednji korak. Njihov cilj je razviti še ujemajočo se 3D-anodo, s čimer bi ustvarili popolnoma tridimenzionalno baterijo. V končni fazi želijo v strukturo vključiti še polimerni elektrolit, kar bi vodilo do razvoja prave, izjemno varne baterije v trdnem stanju.