W dziedzinie baterii litowo-jonowych istnieje nieustanny pęd ku zwiększaniu wydajności i trwałości. Jednym z kluczowych elementów w tej układance są materiały katodowe, a dokładniej te o wysokiej zawartości niklu, które w teorii oferują wysokie napięcia i pojemności. Niemniej jednak ich praktyczne zastosowanie było dotąd ograniczone z uwagi na pewne problemy strukturalne oraz niedobory tlenu.

Dzięki ostatnim badaniom przeprowadzonym przez naukowców z uniwersytetów w Birmingham i Cambridge dokonano ważnego odkrycia dotyczącego tych materiałów. Klucz do zrozumienia degradacji katod LiNiO2 kryje się w tzw. "dziurach tlenowych". Wykazano, że te specyficzne braki w strukturze materiału przyspieszają uwalnianie tlenu, co prowadzi do dalszej degradacji katody.

Wykorzystując najnowocześniejsze technologie obliczeniowe dostępne na superkomputerach w Wielkiej Brytanii, badacze poddali analizie zachowanie katod LiNiO2 w trakcie ładowania. Co ciekawe, odkryli oni, że chociaż ładunek jonów niklu jest stosunkowo stały, ładunek tlenu podlega fluktuacjom, co obala wcześniejsze modele myślowe dotyczące tego materiału.

Profesor Andrew J. Morris, jeden z uczestników badania, zwraca uwagę na niestabilność tlenu w tych strukturach, wskazując, że tlen może "uciekać" z katody bogatej w nikiel. To obserwacyjne podejście zostało również poparte danymi eksperymentalnymi, które skutecznie potwierdziły obliczenia badaczy. Przez identyfikację mechanizmu, w którym rodniki tlenowe połączą się, tworząc jon nadtlenkowy, a potem zamieniając się w gazowy tlen, badacze byli w stanie zrozumieć, jak odbywa się proces degradacji w tych katodach.

Ten mechanizm prowadzi do emisji energii oraz powstawania tlenu singletowego, formy tlenu o wysokiej reaktywności. Dlatego też odpowiedź na problem degradacji może polegać na dodawaniu do katod odpowiednich pierwiastków stopowych. Te pierwiastki mogą ograniczać procesy redoks tlenu i wspierać procesy redoks metali przejściowych, zwłaszcza na powierzchni materiału. W efekcie poprawi się stabilność i trwałość akumulatorów litowo-jonowych opartych na materiałach z wysoką zawartością niklu.

Dr Annalena Jeanreit-Schriever, która odegrała kluczową rolę w tych badaniach, podkreśla potencjalne znaczenie ich wyników dla przyszłości technologii akumulatorów litowo-jonowych. Wprowadzenie domieszek mogących zmniejszyć reaktywność redoks tlenu, jednocześnie sprzyjając utlenianiu metali przejściowych, w szczególności na powierzchni katody, ma szansę zrewolucjonizować sposób, w jaki postrzegamy żywotność i stabilność tych baterii. Ostateczny cel polega na ograniczeniu wytwarzania tlenu singletowego, który jest głównym czynnikiem degradacji.

W kontekście praktycznych zastosowań, baterie litowo-jonowe odgrywają kluczową rolę w wielu nowoczesnych technologiach, od telefonów komórkowych po samochody elektryczne. Jednym z głównych wyzwań technologicznych jest maksymalizacja ich żywotności i efektywności, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo użytkowania. Stabilność materiałów katodowych jest jednym z najistotniejszych aspektów wpływających na ogólną wydajność i trwałość akumulatorów. Wprowadzenie nowych, ulepszonych katod opartych na wynikach tych badań może przynieść przełom w dziedzinie magazynowania energii.