Naukowcy z Uniwersytetu Rice odkryli, że technologia ta zapobiega również powstawaniu niepożądanych struktur zwanych dendrytami.

Chemik z Uniwersytetu Rice, James Tour, opracował anody wykonane z porowatego węgla otrzymanego z asfaltu. Wykazują one dużą stabilność nawet po 500 cyklach ładowania i rozładowania. Otrzymany materiał uzyskuje wysoką gęstość prądu – 20 miliamperów na centymetr kwadratowy. To oznacza potencjalną możliwość błyskawicznego ładowania i rozładowywania urządzeń, które wymagają dużej gęstości prądu.

Badanie zostało opisane w periodyku American Chemican Society ACS Nano i daje nadzieję na dalszy rozwój baterii litowo-jonowych, które obecnie osiągają kres możliwości. Rozwijane są technologie baterii litowo-jonowych i litowo-metalowych, zatem odkrycie Tour’e może oznaczać gwałtowny postęp w tym obszarze.

„Pojemność tych baterii jest ogromna. Jednak najważniejszą cechą jest możliwość pełnego naładowania ich od zera w ciągu pięciu minut. W przypadku innych baterii typowo zajmuje to dwie godziny lub więcej.” – tłumaczy Tour.

Wcześniej w jego laboratorium wykorzystywano naturalny, nieprzetworzony asfalt, aby wychwycić gazy cieplarniane z atmosfery. Asfalt został zmieszany z grafenowymi nanowstążkami, które są przewodnikami, a następnie pokryty powłoką litowo-metalową poprzez elektrolizę. Anoda w połączeniu z katodą wykonaną z węgla i siarki tworzy kompletną baterię. Cechuje się ona wysoką gęstością mocy 1322 watów na kilogram i wysoką gęstością energii 943 watogodzin na kilogram.

Rys. 1. Asfalt z grafenowymi nanowstążkami i litem (po lewej) i ten sam materiał bez litu (po prawej).(Źródło: Uniwersytet Rice)

Po przeprowadzeniu testów badacze zauważyli, że węgiel powstrzymał powstawanie w licie dendrytów, które wnikają do elektrolitu w baterii. Jeśli wnikną wystarczająco głęboko, mogą spowodować zwarcie anody i katody, w rezultacie powodując awarię lub nawet eksplozję czy zapłon baterii. Na szczęście dendryty nie formują się w obecności węgla otrzymanego z asfaltu. Wcześniej Tour zauważył, że grafen i węglowe nanorurki także zapobiegają powstawaniu dendrytów, ale nowa mieszanina jest znacznie od nich prostsza.

„O ile pojemność poprzedniej i nowej baterii jest podobna i zbliża się do teoretycznego limitu konstrukcji litowo-metalowej, nowo otrzymany węgiel z asfaltu może zmieścić więcej litu i metalu na jednostkę powierzchni. Jednocześnie jest znacznie prostszy i tańszy w produkcji.” – wyjaśnia Tour. „W tym procesie nie ma etapu chemicznego odparowywania, etapu rozprowadzenia za pomocą wiązki elektronów i nie ma potrzeby wytwarzania nanorurek z grafenu, zatem produkcja jest znacznie uproszczona.”

Głównym autorem pracy jest Tuo Wang, absolwent Uniwersytetu Rice. Współautorami są Rodrigo Villegas Salvatierra, Almaz Jalilov i Jian Tian.