Un grup de cercetători de la Universitatea din Illinois Urbana-Champaign a realizat o descoperire esențială pentru dezvoltarea bateriilor de nouă generație, reușind să vizualizeze pentru prima dată modul în care straturile subțiri de lichid din interiorul unei celule electrochimice se rearanjează în jurul clusterelor microscopice de pe suprafața electrozilor, transmite InterestingEngineering.
Urmărește cele mai noi producții video TechRider.ro
- articolul continuă mai jos -
Studiul, publicat în revista Proceedings of the National Academy of Sciences, oferă informații fundamentale despre comportamentul straturilor duble electrice (EDL – electric double layers) formate la interfața dintre electrozii solizi și electrolitul lichid. Aceste straturi sunt esențiale în menținerea diferenței de potențial într-o baterie și influențează direct performanța și durabilitatea acesteia.
Până acum, modelele teoretice și experimentele anterioare presupuneau că aceste interfețe sunt plane și uniforme. Însă, în realitate, suprafețele electrozilor sunt neregulate, iar structura EDL-urilor în astfel de condiții nu era cunoscută.
Folosind microscopie atomică tridimensională (3D-AFM), o tehnică extrem de sensibilă, echipa condusă de prof. Yingjie Zhang a analizat structura electrolitului în primele momente ale procesului de încărcare a bateriei, când materialul începe să se depună pe electrod.
„Am examinat cu atenție EDL-urile folosind microscopie atomică 3D și, pentru prima dată, am observat structura moleculară a EDL-urilor inegale în jurul clusterelor de suprafață”, a declarat Qian Ai, doctorand și autor principal al studiului.
Cercetătorii au identificat trei modele universale de comportament ale EDL-urilor în prezența acestor clustere:
Curbare (bending) – straturile se arcuiesc în jurul unui cluster proeminent;
Rupere (breaking) – o porțiune a EDL-ului se separă și formează un set nou de straturi intermediare;
Reconectare (reconnecting) – stratul de deasupra clusterului se conectează cu un alt strat vecin, dar cu o mică deplasare.
„Aceste trei tipare sunt destul de universale și sunt determinate mai degrabă de dimensiunea moleculelor lichidului decât de compoziția chimică a acestora”, a explicat Qian Ai. Această concluzie sugerează că structura lichidului în apropierea suprafeței poate fi anticipată doar prin analiza geometriei suprafeței, ceea ce ar putea simplifica mult procesul de proiectare a bateriilor.
Pentru prof. Zhang, această realizare reprezintă un pas major în înțelegerea fenomenelor electrochimice: „Am reușit să rezolvăm structura EDL-urilor în sisteme electrochimice eterogene, ceea ce este un adevărat ‘Sfânt Graal’ în electrochimie”.
Dincolo de implicațiile fundamentale, rezultatele pot contribui la îmbunătățirea performanței bateriilor cu litiu, în special în ceea ce privește viteza de încărcare și rezistența la degradare. De asemenea, ele oferă o explicație pentru diferențele de comportament observate între materiale considerate identice din punct de vedere chimic.
Următorul pas al cercetătorilor este testarea celor trei tipare de răspuns în alte combinații de electrozi și electroliți, pentru a evalua aplicabilitatea descoperirii în sisteme comerciale.
Acest studiu deschide o nouă direcție în cercetarea electrochimică, punând bazele unor modele mai precise și mai realiste pentru dezvoltarea bateriilor viitorului.
