Neravna površina baterijskog materijala može stvoriti lažne signale koje znanstvenici lako mogu zamijeniti sa stvarnim kretanjem iona, što dovodi u pitanje pouzdanost dosadašnjih istraživanja u razvoju baterija sljedeće generacije.
Istraživački tim sa sveučilišta KAIST u Južnoj Koreji, predvođen profesorom Seungbum Hongom s Odsjeka za znanost o materijalima i inženjerstvo, otkrio je podrijetlo toga mjernog artefakta koji se godinama mogao krivo tumačiti kao stvarni put iona unutar baterije. Rezultati istraživanja objavljeni su u znanstvenom časopisu Small Methods, a tim je predložio i praktičnu metodu za smanjenje tih lažnih signala.
Iluzija u nanorazmjeru
Elektrokemijska mikroskopija deformacije (ESM), koja se temelji na mikroskopiji atomskih sila, koristi se za analizu kretanja iona u materijalima za baterije. Vrlo fina igla skenira površinu materijala i mjeri nanometarske promjene povezane s kretanjem iona. Problem nastaje kada je površina materijala hrapava jer se tada slični signali mogu pojaviti i bez stvarnog kretanja iona.
Tim je stvorio fine kanale na površini ionno neaktivnog uzorka silicija kako bi dokazao da sama visinska razlika može promijeniti kontakt između igle mikroskopa i uzorka. Rezultat je bio jasan: signali su se pojavili iako se ioni nisu kretali. Isti fenomen potvrđen je i na stvarnim baterijskim materijalima, uključujući grafitnu anodu i natrijev kruti elektrolit Na₂Zn₂TeO₆.
Zavaravajuće granice zrna
Posebno zabrinjavajući nalaz odnosi se na granice zrna — spojeve između sitnih kristala koji čine baterijski materijal. Prije zaglađivanja površine, na tim su granicama zabilježeni snažni ESM signali koje su znanstvenici često interpretirali kao “putove koji olakšavaju transport iona”.
Nakon poliranja površine, ti pojačani signali potpuno su nestali. To znači da su brojna dosadašnja istraživanja možda donosila pogrešne zaključke o tome gdje se ioni zapravo kreću unutar baterije. Koliko je još znanstvenih radova temeljeno na ovakvim iluzijama?
Rješenje: hladno poliranje ionskim snopom
Rješenje koje tim predlaže jest zaglađivanje površine baterijskih materijala pomoću uređaja za hladno poliranje presjeka (CCP) koji koristi argonov ionski snop. Argon je kemijski inertan u većini uvjeta, što omogućuje preciznu obradu površine bez značajne promjene svojstava uzorka.
Nakon tretmana, hrapavost površine značajno je smanjena, a time i mjerni artefakti. Mehanizam je usporediv s vožnjom automobila po neravnoj cesti — kako igla prelazi preko visinskih razlika, mijenja se kontakt s površinom i nastaju signali koji oponašaju stvarne ionske struje.
Šira slika za budućnost baterija
Ovo otkriće dolazi u ključnom trenutku razvoja baterija. Dok se svijet utrkuje u razvoju solid-state baterija i natrij-ionskih baterija koje bi trebale zamijeniti litij-ionske, pouzdana analiza na nanorazini postaje sve važnija. Ako su dosadašnji podaci bili iskrivljeni, mogli su dovesti do pogrešnih dizajna materijala koji obećavaju brže punjenje i dulji vijek trajanja.
Dodatna vrijednost ovog istraživanja leži u podacima za umjetnu inteligenciju. Pouzdani nanomjerni podaci mogli bi poslužiti kao kvalitetni treninzi za AI algoritme koji predviđaju performanse novih materijala. Ukoliko se u te sustave unesu podaci zagađeni artefaktima, i predviđanja će biti pogrešna.
Profesor Hong naglašava da istraživanje jasno pokazuje kako visinske varijacije površine utječu na rezultate nanomjerne analize baterijskih materijala. Njegov tim očekuje da će njihovi nalazi omogućiti točnije praćenje kretanja iona i doprinijeti razumijevanju mehanizama rada baterijskih materijala budućnosti.