Καθώς ο κόσμος στρέφεται μαζικά προς την ηλεκτροκίνηση και τις ανανεώσιμες πηγές, η ανάγκη για πιο ασφαλείς, ισχυρές και ανθεκτικές μπαταρίες έχει γίνει πιο επιτακτική από ποτέ. Στο επίκεντρο αυτής της παγκόσμιας αναζήτησης βρίσκονται οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης (solid-state), οι οποίες υπόσχονται να φέρουν επανάσταση στην αποθήκευση ενέργειας.
Μέχρι σήμερα, όμως, ένα σημαντικό τεχνικό εμπόδιο κρατούσε αυτή την τεχνολογία «κλειδωμένη» στα εργαστήρια.
Το «Άγιο Δισκοπότηρο» της πράσινης ενέργειας βρίσκεται ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Μια νέα, αναπάντεχα απλή χημική ανακάλυψη έρχεται τώρα να αλλάξει τα δεδομένα. Μια απλή χημική επεξεργασία θα μπορούσε να ξεπεράσει μια επίμονη αδυναμία στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης επόμενης γενιάς. Επιστήμονες στην Κίνα ανέπτυξαν μια λεπτή προστατευτική επίστρωση που θα μπορούσε να βοηθήσει στην υπέρβαση ενός σημαντικού εμποδίου για μπαταρίες με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και υψηλή χωρητικότητα.
Σε εργαστηριακές δοκιμές, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης που χρησιμοποίησαν το επεξεργασμένο μέταλλο λιθίου διατήρησαν το 82,3% της αρχικής τους χωρητικότητας μετά από 300 κύκλους φόρτισης, σε σύγκριση με μόλις 43,0% για τις μπαταρίες που χρησιμοποίησαν μη επεξεργασμένο λίθιο.
Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Xidian ανέπτυξαν μια απλή υγρή επίστρωση που αντιδρά με το μέταλλο λιθίου για να σχηματίσει ένα προστατευτικό φράγμα. Τα ευρήματά τους, τα οποία δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science China Chemistry, υποδεικνύουν μια πιθανή διαδρομή προς ασφαλέστερες και πιο ανθεκτικές μπαταρίες για ηλεκτρικά οχήματα και αποθήκευση ενέργειας.
Η λύση σε ένα χρόνιο πρόβλημα των μπαταριών
Το μέταλλο λιθίου έχει χαρακτηριστεί ως το «Άγιο Δισκοπότηρο» της αποθήκευσης ενέργειας, επειδή θεωρητικά μπορεί να αποθηκεύσει σχεδόν δέκα φορές περισσότερο φορτίο ανά γραμμάριο σε σύγκριση με τον γραφίτη που χρησιμοποιείται στις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Η εξαιρετική του χωρητικότητα θα μπορούσε να επιτρέψει τη δημιουργία ελαφρύτερων μπαταριών που αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια και, ενδεχομένως, να υποστηρίξουν μεγαλύτερη εμβέλεια οδήγησης.
Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, οι ερευνητές με επικεφαλής τους καθηγητές Siwu Li, Weiwei Wu και Chuang Yu συνδύασαν ένα πολυμερές με βάση το πυρίτιο με χλωριούχο ίνδιο.
Όταν εφαρμόζεται στο λίθιο, το μείγμα σχηματίζει φθοριούχο λίθιο και νανοσωματίδια κράματος λιθίου-ινδίου μέσα σε μια εύκαμπτη προστατευτική μεμβράνη πάχους μόλις 12 μικρομέτρων (περίπου 0,00047 ίντσες).
«Αυτό το υβριδικό στρώμα λειτουργεί σαν ένα έξυπνο οχυρό», εξηγεί ο αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης, Siwu Li. «Ο σκελετός του πολυμερούς παρέχει την ευελιξία να απορροφά τη μηχανική καταπόνηση από τη διαστολή και τη συστολή του λιθίου. Η φάση του φθοριούχου λιθίου μπλοκάρει τα ηλεκτρόνια για να αποτρέψει τη δημιουργία δενδριτών. Και τα νανοσωματίδια κράματος λιθίου-ινδίου λειτουργούν ως τροχονόμοι, καθοδηγώντας τα ιόντα λιθίου να εναποτίθενται ομοιόμορφα αντί να συσσωρεύονται σε επικίνδυνες αιχμές».
Τριπλάσια αντοχή στο μικροσκόπιο των επιστημόνων
Τα επικαλυμμένα ηλεκτρόδια λιθίου άντεξαν σε μια κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος 3,5 μιλιαμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό, τιμή υπερτετραπλάσια από τα 0,8 που πέτυχε το μη επεξεργασμένο λίθιο.
Σε ολοκληρωμένες μπαταρίες που περιείχαν κάθοδο οξειδίου νικελίου-κοβαλτίου-μαγγανίου και στερεό ηλεκτρολύτη θειούχου άλατος, τα προστατευμένα ηλεκτρόδια απέδωσαν αρχική χωρητικότητα 129,8 μιλιαμπερωρίων ανά γραμμάριο και διατήρησαν το 82,3% αυτής μετά από 300 κύκλους φόρτισης σε ρυθμό 0,5C.
Η φασματοσκοπία και η ηλεκτρονική μικροσκοπία επιβεβαίωσαν τη σύνθεση της επίστρωσης και αποκάλυψαν ένα πυκνό, ομοιόμορφο στρώμα χωρίς ορατές ρωγμές ή κενά.
Η απλότητα κλειδί για την επόμενη γενιά αποθήκευσης ενέργειας
Η επίστρωση θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση της χημικής αστάθειας μεταξύ του μετάλλου λιθίου και των στερεών ηλεκτρολυτών θειούχου άλατος, γεγονός που αποτελεί σημαντική πρόκληση στην ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης.
Επειδή το προστατευτικό στρώμα σχηματίζεται από την εφαρμογή ενός υγρού, ενδέχεται να είναι συμβατό με τον υπάρχοντα βιομηχανικό εξοπλισμό επίστρωσης, χωρίς να απαιτείται δαπανηρή επεξεργασία σε κενό αέρος.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν επίσης να εξερευνήσουν εναλλακτικές λύσεις αντί του ινδίου, συμπεριλαμβανομένου του κασσίτερου και του ψευδαργύρου.
Αν και η εμπορική του απόδοση δεν έχει ακόμη αποδειχθεί, τα ευρήματα προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για να γίνουν οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου υψηλής ενέργειας πιο σταθερές και με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
