Probabil am observat cu toții că iarna, când temperaturile scad adesea sub zero grade, telefoane mobile trebuie reîncărcate mult mai des. De altfel, chiar și mașinile electrice au o autonomie mult mai mică atunci când temperatura externă scade sub zero grade. Acest lucru se datorează faptului că anozii bateriilor Li-Ion devin „mai leneși”, menținând mai puțină încărcătură și consumând energia mult mai rapid. Pentru a îmbunătăți performanțele electrice în condiții de temperaturi extreme, o echipă de cercetători a înlocuit anodul tradițional, realizat din grafit, al unei baterii Li-Ion cu un material cu denivelări, pe bază de carbon, care își poate menține capacitatea de stocare intactă chiar până la temperaturi de -35°C.
Bateriile Li-Ion sunt excelente pentru alimentarea aparatelor electronice reîncărcabile, deoarece pot stoca multă energie și au o durată de viață destul de lungă. Însă, atunci când temperaturile scad sub zero grade, performanța și autonomia acestor surse de energie scade, iar când temperaturile sunt chiar extrem de reci, acestea pot chiar să nu reușească transferul de energie către un anumit aparat. Acesta este unul dintre motivele pentru care unele persoane care locuiesc în zone reci au probleme cu mașinile electrice și, de altfel, un motiv semnificativ când vine vorba de a folosi acest gen de baterii în explorările spațiale, unde se știe că temperaturile sunt deosebit de scăzute.
Recent, oamenii de știință au stabilit că variabila responsabilă de scăderea capacității de stocare (și transfer) a energiei unei baterii Li-Ion în condiții de temperatură extremă este reprezentată de orientarea plană a grafitului din anod. Astfel, Xi Wang, Jiannian Yao și ceilalți colegi din echipă s-au hotărât să modifice structura de suprafață a unui material pe bază de carbon, denivelându-l, pentru a îmbunătăți astfel procesul de transfer de sarcină de la anod. După cum sugerează și numele, o baterie Li-Ion este un tip de baterie reîncărcabilă în care ionii de litiu (Li) se deplasează de la electrodul negativ (catod), printr-un electrolit, la electrodul pozitiv (anod), în timp descărcării, și invers în timpul încărcării.
Pentru a crea noul material, cercetătorii au încălzit la temperaturi ridicate o structură de zeolit imidazolat cu conținut de cobalt (cunoscută sub numele de ZIF-67). Nanosferele de carbon rezultate aveau suprafețele accidentate, denivelate (en. bumpy surfaces), iar acestea au demonstrat capacități excelente de transfer ale sarcinilor electrice. Ulterior, echipa de cercetători a testat performanța electrică a materialului, folosindu-l drept anod (+), iar litiu metalic drept catod (-), în interiorul unei baterii în formă de monedă, pentru a vedea cum se comportă noul material în condiții de temperaturi extreme.
Rezultatele cuantificate au demonstrat că anodul a înregistrat o încărcare și o descărcare stabilă la temperaturi cuprinse între 25°C și -20°C, menținând 85,9% din capacitatea de stocare a energiei la temperaturi chiar sub 0°C. În comparație, bateriile Li-Ion realizate cu alți anozi pe bază de carbon, inclusiv grafit și nanotuburi de carbon, nu au păstrat aproape deloc încărcătura la temperaturi apropiate de pragul înghețului. Atunci când cercetătorii au scăzut temperatura aerului la -35°C, anodul realizat cu ajutorul nanosferelor denivelate era încă reîncărcabil și, în timpul descărcării, a eliberat aproape 100% din încărcătura existentă în baterie.
Deoarece autonomia dispozitivelor pe care le folosim este deosebit de importantă, căutăm tot mai des strategii pentru a mări durata de viață a bateriei. Încorporarea materialului nanosferelor de carbon cu suprafață denivelată în bateriile Li-Ion ar putea deschide, ce-i drept, noi posibilități de utilizare a acestor surse de energie la temperaturi extrem de scăzute, după cum afirmă chiar și cercetătorii care au realizat experimentul. Stilul nostru de „viață digitalizată” este alimentat și sprijinit de bateriile reîncărcabile, dar funcționarea acestora în condiții de frig încă rămâne o provocare care motivează proiectele de cercetare realizate în această direcție.
