Naukowcy mogą mieć wyjaśnienie dlaczego niektóre baterie nie działają już tak długo.

Akumulatory litowo-jonowe ładowalne nie trwają wiecznie. Z czasem trzymają coraz mniej energii, w końcu przekształcając się z źródeł energii w cegły. Jednym z powodów: ukryty, nieszczelny wodór, sugerują nowe badania. Niezamierzone protony wodoru wypełniają miejsca w cząsteczkowym końcu dodatnim baterii, pozostawiając mniej miejsca dla naładowanych atomów litu, czyli jonów, które utrzymują reaktywność i pomagają w przewodzeniu ładunku, informują naukowcy 12 września w Science. 

Nowe badania identyfikują zbiór niepożądanych reakcji chemicznych, które zachodzą, gdy elektrolit baterii, który powinien przemieszczać jony litu, przypadkowo uwalnia wodór do końca dodatniego, czyli katody. To "powoduje wiele problemów" i zmniejsza pojemność oraz żywotność baterii, mówi Gang Wan, fizyk materiałów i chemik na Uniwersytecie Stanford. 

"Nawet jeśli nie używasz baterii, traci energię." W akumulatorze litowo-jonowym (ilustrowanym poniżej), dwie elektrody o przeciwnych ładunkach, anoda i katoda, przechowują jony litu. 

Jony przemieszczają się z anody do katody w elektrolicie, co powoduje reakcje chemiczne, które uwolniają elektrony do generowania ładunku. Elektrolit ma przemieszczać jedynie jony litu, ale protony wodoru i elektrony odrywają się od cząsteczek w elektrolicie i przeciekają na zewnętrzne warstwy katody, wywołując kaskadę niepożądanych reakcji, które zmniejszają żywotność baterii. 

Dotychczasowe wyjaśnienia straty energii w bateriach skupiały się na ruchu jonów litu. Niektórzy badacze postawili hipotezy, że atomy wodoru mogą również odgrywać rolę, ale było trudno to obserwować, ponieważ wodór jest tak mały i wszechobecny. Dlatego Wan i jego koledzy zamienili wodór w elektrolicie baterii o rozmiarze komórki na deuter, cięższą odmianę wodoru. Następnie badacze śledzili ruch deuteru za pomocą zaawansowanego obrazowania rentgenowskiego i spektrometrii mas. Korzystając z wyników i obliczeń teoretycznych, zespół wykazał, że wodór jest "dominantnym" graczem w utracie ładunku katody. 

Badania wzmacniają naszą wiedzę na temat nieprzejrzystej chemii zachodzącej wewnątrz baterii, co czyni je "naprawdę istotnymi", mówi Bart Bartlett, materiałowiec i chemik nieorganiczny na Uniwersytecie Michigan w Ann Arbor, który nie był zaangażowany w badanie. Wskazuje to na możliwe ścieżki do poprawy żywotności baterii, takie jak dostosowanie chemii baterii, aby unikać reakcji z udziałem wodoru. 

Ponadto praca podkreśla nierozpoznany problem w ciągłym dążeniu do coraz wyższych napięć baterii, gdy inżynierowie dążą do przechowywania większej ilości energii w mniejszych ogniwach. Wyższe katody napięciowe są bardziej reaktywne i bardziej skłonne do przyciągania wodoru, więc im wyższe napięcie baterii, tym więcej zachodzi "protonacja" lub "wodorowanie". 

"To jest kompromis, którego chyba nie w pełni docenialiśmy, że podjęliśmy, albo nie rozumieliśmy dlaczego," mówi Bartlett. Jednakże, twierdzi, że naukowcy ocenili tylko jeden rodzaj baterii i scenariusz. Konieczne są dalsze badania, aby zrozumieć, jak szeroko można zastosować wyniki. Jeśli obserwacje zespołu okażą się powtarzalne, najprawdopodobniej doprowadzą do lepszych, bardziej trwałych baterii, przyspieszając innowacje, takie jak elektryczne pojazdy o dłuższym zasięgu, mówi Jacqueline Edge, badacz i inżynier baterii na Imperial College London. 

Jednocześnie postępy w żywotności baterii zminimalizują naszą potrzebę wydobycia minerałów, które idą do ogniw baterii, takich jak kobalt i oczywiście lit, co niesie ze sobą negatywne konsekwencje środowiskowe i społeczne. To może być podwójne zwycięstwo z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju - mówi.