Λόγω της συνεχώς αυξανόμενης εξάρτησής μας από τα ηλεκτρονικά, οι ερευνητές αναζητούν πάντα υλικά μπαταριών με πιο επιθυμητές ιδιότητες. Τα κοινά υλικά μπαταριών, όπως το λίθιο, μπορεί να είναι επιρρεπή σε μειονεκτήματα όπως υπερθέρμανση και προβλήματα προμήθειας υλικών, οδηγώντας σε κινδύνους ασφαλείας και υψηλότερο κόστος.
Περιορισμοί προηγούμενων μπαταριών Na-S
Τώρα, ερευνητές από την Κίνα αποκάλυψαν ένα νέο σχέδιο μπαταρίας που μπορεί να προσφέρει μια καλύτερη εναλλακτική λύση από το λίθιο. Η νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο Nature, περιγράφει ένα σχέδιο χωρίς ανόδους με βάση το νάτριο και το θείο, που προσφέρει υψηλή τάση. Οι μπαταρίες νατρίου-θείου (Na-S) αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στις μπαταρίες με βάση το λίθιο λόγω της αφθονίας του νατρίου και των δυνατοτήτων υψηλής αποθήκευσης ενέργειας.
Αυτός δεν είναι ο πρώτος σχεδιασμός μπαταρίας που συνδυάζει νάτριο και θείο. Ωστόσο, οι προηγούμενες μπαταρίες Na-S αντιμετώπιζαν προβλήματα που περιόριζαν την πρακτικότητά τους. Ορισμένες μπαταρίες Na-S χρησιμοποιούσαν χημεία S/Na2S, η οποία περιοριζόταν από τις απαιτήσεις χαμηλής τάσης και υψηλών μεταλλικών νατρίων. Και παρά την οξειδοαναγωγή θείου υψηλού σθένους (S0/S4+) που παρέχει υψηλότερες τάσεις περίπου 3,6 V, οι ερευνητές δεν είχαν βρει τρόπο να δημιουργήσουν αυτήν την αντίδραση σε θερμοκρασία δωματίου λόγω ενεργειακών φραγμών.
Οι συγγραφείς της μελέτης γράφουν: «Η αντίδραση μετατροπής S/Na2S στην κάθοδο αποδίδει μια περιορισμένη τάση εκφόρτισης μικρότερη από 1,6 V έναντι Na/Na+, η οποία είναι πολύ χαμηλότερη από εκείνη που επιτυγχάνεται από τις καθόδους των τρεχουσών μπαταριών Li και Na. Επίσης, η χρήση σημαντικού μεταλλικού Na στην άνοδο, που γενικά υπερβαίνει εκείνη των συμβατικών μπαταριών Li και Na κατά δεκάδες φορές, υπονομεύει την οικονομική αποδοτικότητα και την ασφάλεια, ενώ θυσιάζει την διαθέσιμη ενέργεια και πυκνότητα ισχύος».
Η νέα μπαταρία Na-S: Βιώσιμη, φθηνή και ασφαλής
Το κλειδί για τον νέο σχεδιασμό ήταν η «ξεκλείδωμα» της υψηλής τάσης οξειδοαναγωγικής χημείας S0/S4+ για τη δημιουργία μπαταριών Na-S υψηλής τάσης χωρίς ανόδους σε τυπικές θερμοκρασίες δωματίου. Ο νέος σχεδιασμός αποτελείται από μια κάθοδο S8, έναν συλλέκτη ρεύματος ανόδου από φύλλο αλουμινίου (Al), έναν διαχωριστή υαλοβάμβακα και δικυαναμίδιο νατρίου (NaDCA) σε έναν μη εύφλεκτο ηλεκτρολύτη χλωροαργιλικού. Η νέα μπαταρία προσφέρει τάση εκφόρτισης 3,6 V.
«Μελέτες μηχανισμού δείχνουν ότι το ανιόν δικυαναμιδίου σε έναν βελτιστοποιημένο ηλεκτρολύτη χλωροαργιλικού παίζει κρίσιμο ρόλο στην απελευθέρωση της χημείας της καθόδου S/SCl4 και επίσης στην ενίσχυση της αναστρεψιμότητας της επιμετάλλωσης/απογύμνωσης Na στην άνοδο, τα οποία μαζί επιτυγχάνουν μπαταρίες Na-S υψηλής τάσης χωρίς ανόδους με εξαιρετική ηλεκτροχημική απόδοση και πρακτικότητα», λένε οι συγγραφείς της μελέτης.
Τι πετυχαίνει ο νέος σχεδιασμός;
Ο νέος σχεδιασμός πέτυχε μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα 1.198 Wh/kg, χωρητικότητα εκφόρτισης 715 mAh g−1 και πυκνότητα ισχύος 23.773 W/kg. Η ομάδα αναφέρει ότι η ενσωμάτωση ενός καταλύτη Bi-COF στην κάθοδο αύξησε περαιτέρω την χωρητικότητα εκφόρτισης στα 1.206 mAh/g και την ενεργειακή πυκνότητα στα 2.021 Wh/kg.
Η ομάδα εκτιμά επίσης ότι το κόστος του νέου σχεδιασμού είναι πολύ χαμηλότερο από τις τρέχουσες εναλλακτικές λύσεις. Με κόστος 5,03 $ ανά kWh, είναι μία έως δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερο από τις τρέχουσες μπαταρίες Na. Η ασφάλεια ενισχύεται επίσης με τη χρήση του ηλεκτρολύτη NaDCA, ο οποίος είναι εγγενώς μη εύφλεκτος, σε αντίθεση με τον υγρό ηλεκτρολύτη στις μπαταρίες λιθίου. Η αφθονία του νατρίου και η χαμηλότερη επίδραση εξαγωγής το καθιστούν ένα πιο βιώσιμο υλικό από το λίθιο.
Μερικά εμπόδια που απομένουν
Παρόλο που η ομάδα λέει ότι οι νέες μπαταρίες είναι πολλά υποσχόμενες για πρακτικές εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί πριν αυτά τα νέα υλικά μπορέσουν να χρησιμοποιηθούν στην πράξη. Ένα ζήτημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι ότι ο ηλεκτρολύτης με βάση το AlCl3/SOCl2 είναι διαβρωτικός και δύσκολος στη διαχείριση, απαιτώντας περαιτέρω μελέτη. Επιπλέον, η σταθερότητα στον αέρα είναι βραχυπρόθεσμη, πράγμα που σημαίνει ότι η ασφάλεια σε μακροχρόνια ή μεγάλης κλίμακας έκθεση είναι αβέβαιη.
Ωστόσο, εάν αντιμετωπιστούν αυτά τα ζητήματα, ο νέος σχεδιασμός έχει τη δυνατότητα να αντιμετωπίσει κρίσιμα ζητήματα αλυσίδας εφοδιασμού και ασφάλειας στην τρέχουσα τεχνολογία μπαταριών. Οι συγγραφείς της μελέτης σημειώνουν ότι οι νέες μπαταρίες δείχνουν πολλά υποσχόμενες εφαρμογές στην αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο και στα φορητά ηλεκτρονικά.
www.worldenergynews.gr
