Μια σημαντική επιστημονική ανακάλυψη θα μπορούσε σύντομα να οδηγήσει σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα, αεροσκάφη και smartphones που θα διαρκούν έως και τρεις φορές περισσότερο με μία μόνο φόρτιση.
Ερευνητές από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών ισχυρίζονται ότι δημιούργησαν μια νέα αυτο-επιδιορθούμενη διεπιφάνεια για στερεάς κατάστασης μπαταρίες λιθίου. Αυτή η καινοτομία θα μπορούσε επιτέλους να λύσει μία από τις μεγαλύτερες τεχνικές προκλήσεις που έχουν κρατήσει αυτά τα ισχυρά ενεργειακά συστήματα εκτός εμπορικής παραγωγής.
Η μελέτη που δημοσιεύτηκε στην επιθεώρηση «Nature Sustainability» περιγράφει πώς η ομάδα ανέπτυξε έναν μηχανισμό παρόμοιο με «υγρή σφράγιση» ο οποίος γεμίζει αυτόματα τα μικροσκοπικά κενά στο εσωτερικό μιας στερεάς μπαταρίας.
Αυτή η καινοτομία εξαλείφει την ανάγκη για ογκώδη εξοπλισμό και υψηλή πίεση, από τις οποίες εξαρτώνται οι υπάρχουσες σχεδιάσεις για να διατηρήσουν τη σταθερότητά τους.
Πώς λειτουργεί ο νέος σχεδιασμός
Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούν εύφλεκτους υγρούς ηλεκτρολύτες οι στερεάς κατάστασης μπαταρίες βασίζονται σε στερεά υλικά για τη μεταφορά ηλεκτρικού φορτίου μεταξύ των ηλεκτροδίων. Αυτή η αλλαγή αποτρέπει τον κίνδυνο διαρροής ή πυρκαγιάς και επιτρέπει τη χρήση καθαρού μεταλλικού λιθίου ενός υλικού που μπορεί να αποθηκεύσει δύο έως τρεις φορές περισσότερη ενέργεια από τα σημερινά εξαρτήματα μπαταριών.
Ωστόσο οι στερεάς κατάστασης μπαταρίες αντιμετωπίζουν εδώ και χρόνια ένα επίμονο πρόβλημα: τα άκαμπτα στρώματά τους τείνουν να διαχωρίζονται με τον χρόνο καθώς τα υλικά διαστέλλονται και συστέλλονται κατά τη φόρτιση, διακόπτοντας τη ροή του ρεύματος και μειώνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Για να το αντιμετωπίσει η κινεζική ερευνητική ομάδα εισήγαγε ιόντα ιωδίου μέσα στον στερεό ηλεκτρολύτη. Κατά τη λειτουργία της μπαταρίας, αυτά τα ιόντα μεταναστεύουν προς τη διεπιφάνεια μεταξύ ηλεκτροδίου και ηλεκτρολύτη, σχηματίζοντας ένα λεπτό στρώμα πλούσιο σε ιώδιο. Αυτό το στρώμα προσελκύει ενεργά ιόντα λιθίου και γεμίζει αυτόματα τα μικροσκοπικά ρήγματα και πόρους που δημιουργούνται με τη χρήση. Το αποτέλεσμα είναι μια αυτο-επιδιορθούμενη διεπιφάνεια που διατηρεί τα στρώματα σφιχτά συνδεδεμένα χωρίς εξωτερική πίεση.
Ένα βήμα πιο κοντά στην πραγματική εφαρμογή
Ο Τσουνσενγκ Βανγκ ειδικός στις στερεάς κατάστασης μπαταρίες στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, δήλωσε ότι η νέα προσέγγιση «έλυσε το βασικό εμπόδιο που επί δεκαετίες εμπόδιζε την εμπορευματοποίηση των στερεάς κατάστασης μπαταριών», σηματοδοτώντας ένα αποφασιστικό βήμα προς την πρακτική τους εφαρμογή.
Εξήγησε ότι οι παραδοσιακές στερεάς κατάστασης μπαταρίες απαιτούν πάνω από πέντε μεγαπασκάλ πίεσης (περίπου 50 ατμόσφαιρες) για να παραμείνουν σταθερές. Η κινεζική καινοτομία, πρόσθεσε, «άλλαξε ριζικά αυτή την κατάσταση».
Οι δοκιμές της ερευνητικής ομάδας έδειξαν ότι τα πρωτότυπα που βασίζονται στη νέα αυτή δομή διατήρησαν σταθερή απόδοση μετά από εκατοντάδες κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Η διαδικασία είναι επίσης απλούστερη στην παραγωγή, απαιτεί λιγότερα υλικά, και θα μπορούσε να κάνει τις μελλοντικές μπαταρίες πιο ανθεκτικές και ευκολότερες στην μαζική κατασκευή.
Τι σημαίνει αυτό για το μέλλον
Αν η τεχνολογία αυτή κλιμακωθεί επιτυχώς, θα μπορούσε να επαναστατήσει την αποθήκευση ενέργειας σε πολλούς τομείς.
Η υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σημαίνει ότι τα smartphones θα μπορούσαν να λειτουργούν για μέρες με μία φόρτιση, ενώ τα ηλεκτρικά οχήματα και αεροσκάφη θα μπορούσαν να διανύουν δύο έως τρεις φορές μεγαλύτερες αποστάσεις από τα σημερινά μοντέλα.
Οι επιστήμονες μελετούν τους στερεούς ηλεκτρολύτες από τη δεκαετία του 1970, αλλά ουσιαστική πρόοδος σημειώθηκε μόνο τη δεκαετία του 2010, χάρη σε νέα κεραμικά υλικά και προηγμένες μεθόδους κατασκευής.
