Επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Τόκιο (TUS), ανακάλυψαν με πειράματα ηλεκτροχημικής απόδοσης, συγκεκριμένες συνθέσεις μαγνησίου που θα μπορούσαν να ανοίξουν τις πόρτες σε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες μαγνησίου υψηλής απόδοσης.
Μελετώντας το μαγνήσιο ως δυνητικό φορέα ενέργειας για να αντικαταστήσει τις ακριβές και μη ασφαλείς μπαταρίες ιόντων λιθίου, η επιστημονική ομάδα επικεντρώθηκε σε ένα νέο υλικό καθόδου με δομή σπινελίου, το οποίο παρουσίαζε υψηλή ικανότητα, και όπως αναφέρει στην δημοσίευση, στο Journal of Electroanalytical Chemistry, πιστεύει ότι είναι σε σωστό δρόμο.
Τρία μειονεκτήματα των μπαταριών λιθίου
Επί του παρόντος, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν παραμείνει ασυναγώνιστες, όσον αφορά τη συνολική απόδοση για πολλές εφαρμογές, όπως αποδεικνύεται από την ευρεία χρήση τους σε οτιδήποτε, από φορητές ηλεκτρονικές συσκευές έως σταθμούς βάσης κινητής τηλεφωνίας.
Ωστόσο, υποφέρουν από μερικά σημαντικά μειονεκτήματα που είναι δύσκολο να αγνοηθούν.
Πρώτον, το λίθιο είναι μάλλον ακριβό και το γεγονός ότι εξορύσσεται με ακραίους ρυθμούς δεν βοηθά.
Δεύτερον, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου δεν είναι αρκετή για να παρέχει αυτονομία στα ηλεκτρικά οχήματα και τα βαρέα μηχανήματα.
Τρίτον, αυτές οι ανησυχίες, σε συνδυασμό με το γεγονός ότι οι μπαταρίες είναι εξαιρετικά επικίνδυνες όταν φθαρούν (αν τρυπηθούν) ή σε υψηλές θερμοκρασίες, έχουν κάνει τους επιστήμονες να αναζητήσουν εναλλακτικές τεχνολογίες.
Κοιτάζοντας μια άλλη χημεία: τα + και τα - του Μαγνησίου
Μεταξύ των διαφόρων στοιχείων που δοκιμάζονται ως αποδοτικοί φορείς ενέργειας για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, το μαγνήσιο (Mg) είναι ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος.
Εκτός από την ασφάλεια και την αφθονία του, το Mg έχει τη δυνατότητα να εξασφαλίσει μεγαλύτερες χωρητικότητες στις μπαταρίες.
Ωστόσο, ορισμένα προβλήματα πρέπει να λυθούν πρώτα.
Αυτά περιλαμβάνουν την χαμηλή τάση που παρέχουν τα ιόντα Mg, καθώς και την αναξιόπιστη απόδοση κύκλου που παρατηρείται σε υλικά μπαταρίας Mg.
Για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Αντιπρόεδρο και Καθηγητή Yasushi Idemoto από το Πανεπιστήμιο Επιστημών του Τόκιο, στην Ιαπωνία, αναζητούσε νέα υλικά καθόδου για μπαταρίες Mg.
Συγκεκριμένα, έχουν αναζητήσει τρόπους βελτίωσης της απόδοσης των καθοδικών υλικών με βάση το σύστημα MgV (V: βανάδιο).
Οι ερευνητές εστίασαν στο σύστημα Mg1.33V1.67O4, αλλά αντικατέστησαν κάποια ποσότητα βαναδίου με μαγγάνιο (Mn), λαμβάνοντας υλικά με τον τύπο Mg1.33V1.67−xMnxO4, όπου το x πηγαίνει από 0,1 σε 0,4.
Ενώ αυτό το σύστημα πρόσφερε υψηλή χωρητικότητα θεωρητικά, χρειαζόταν να αναλυθούν περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τη δομή, την κυκλικότητα και την απόδοση της καθόδου για να κατανοηθεί η πρακτική χρησιμότητα του. Αντίστοιχα, οι ερευνητές χαρακτήρισαν τα συνθετικά υλικά καθόδου χρησιμοποιώντας μια μεγάλη ποικιλία τυπικών τεχνικών.
Αρχικά, μελέτησαν τη σύνθεση, τη δομή των κρυστάλλων, την κατανομή ηλεκτρονίων και τις μορφολογίες των σωματιδίων των ενώσεων Mg1.33V1.67−xMnxO4 χρησιμοποιώντας περίθλαση και απορρόφηση ακτίνων Χ, καθώς και ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης.
Οι αναλύσεις έδειξαν ότι το Mg1.33V1.67−xMnxO4 έχει δομή σπινελίου με αξιοσημείωτα ομοιόμορφη σύνθεση.
Μετρήσεις απόδοσης
Στη συνέχεια, οι ερευνητές πραγματοποίησαν μια σειρά ηλεκτροχημικών μετρήσεων για να αξιολογήσουν την απόδοση της μπαταρίας του Mg1.33V1.67−xMnxO4, χρησιμοποιώντας διαφορετικούς ηλεκτρολύτες και δοκιμάζοντας τις προκύπτουσες ιδιότητες φόρτισης/εκφόρτισης σε διάφορες θερμοκρασίες.
Η ομάδα παρατήρησε υψηλή ικανότητα εκκένωσης για αυτά τα υλικά καθόδου – ειδικά Mg1.33V1.57Mn0.1O4 – αλλά επίσης διέφερε σημαντικά ανάλογα με τον αριθμό του κύκλου.
Για να καταλάβουν γιατί, ανέλυσαν την τοπική δομή κοντά στα άτομα βαναδίου στο υλικό.
«Φαίνεται ότι η ιδιαίτερα σταθερή κρυσταλλική δομή μαζί με μια μεγάλη ποσότητα αντιστάθμισης φορτίου από το βανάδιο οδηγεί στις ανώτερες ιδιότητες φόρτισης-εκφόρτισης που παρατηρήσαμε για το Mg1.33V1.57Mn0.1O4, εξήγησε ο καθηγητής Idemoto.
Συνολικά, τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το Mg1.33V1.57Mn0.1O4 θα μπορούσε να είναι ένα καλό υποψήφιο υλικό καθόδου για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες μαγνησίου».
Θετική αποτίμηση
Ικανοποιημένος με τα σημερινά ευρήματα και αισιόδοξος για το τι πρόκειται να ακολουθήσει, ο καθηγητής Idemoto κατέληξε, «Μέσω της μελλοντικής έρευνας και ανάπτυξης, οι μπαταρίες μαγνησίου θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου χάρη στην υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα που μπορούν να έχουν».
Πράγματι, τα υποκατεστημένα συστήματα MgV θα μπορούσαν τελικά να οδηγήσουν στις πολυαναμενόμενες μπαταρίες επόμενης γενιάς.
Ας ελπίσουμε ότι η πολυαναμενόμενη εναλλακτική λύση του λιθίου για τις ανάγκες επαναφορτιζόμενων μπαταριών μας θα είναι υλοποιήσιμη σύντομα.
Καθώς η πολιτική πίεση για ηλεκτρισμό συνεχίζει να αυξάνεται, η ζήτηση μπαταριών είναι βέβαιο ότι θα αυξηθεί επίσης.
Το λίθιο, πωλείται σε αρκετά υψηλή τιμή και επεξεργάζεται σε χώρες λιγότερο φιλικές προς τον ελεύθερο κόσμο, οπότε χρειάζεται έναν ικανό ανταγωνισμό.
www.worldenergynews.gr
