Ένα νέο υλικό καθιστά τις μπαταρίες λιθίου πιο μακροχρόνιες και πιο αποτελεσματικές - εξαιρετικά νέα για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και την αποθήκευση καθαρής ενέργειας.
Ένας εναλλακτικός σχεδιασμός
Οι μπαταρίες τροφοδοτούν μεγάλο μέρος της σύγχρονης ζωής, από smartphones έως ηλεκτρικά οχήματα, αλλά εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις. Το υψηλό κόστος παραγωγής και ο κίνδυνος πυρκαγιών ή εκρήξεων παραμένουν σοβαρές ανησυχίες. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης έχουν προωθηθεί ως ασφαλέστερη εναλλακτική λύση, ωστόσο οι μηχανικοί δυσκολεύονται να προσφέρουν ασφάλεια, ισχυρή απόδοση και χαμηλό κόστος ταυτόχρονα. Τώρα, μια ερευνητική ομάδα στη Νότια Κορέα έδειξε ότι η απόδοση της μπαταρίας μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά μόνο μέσω του δομικού σχεδιασμού - χωρίς να βασίζεται σε ακριβά μέταλλα.
Το KAIST ανακοίνωσε στις 7 Ιανουαρίου ότι μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Dong-Hwa Seo του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών είχε αναπτύξει μια νέα στρατηγική σχεδιασμού για υλικά μπαταριών στερεάς κατάστασης. Το έργο περιελάμβανε συνεργασία με ομάδες με επικεφαλής τον καθηγητή Sung-Kyun Jung (Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ), τον καθηγητή Youn-Suk Jung (Πανεπιστήμιο Yonsei) και τον καθηγητή Kyung-Wan Nam (Πανεπιστήμιο Dongguk). Η προσέγγισή τους χρησιμοποιεί φθηνές πρώτες ύλες, παρέχοντας παράλληλα υψηλή απόδοση και μειώνοντας τον κίνδυνο πυρκαγιάς ή έκρηξης.
Γιατί οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι ασφαλέστερες αλλά πιο δύσκολο να βελτιωθούν;
Οι περισσότερες συμβατικές μπαταρίες βασίζονται σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη που επιτρέπει στα ιόντα λιθίου να κινούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης αντικαθιστούν αυτό το υγρό με έναν στερεό ηλεκτρολύτη, κάτι που βελτιώνει σημαντικά την ασφάλεια. Ωστόσο, τα ιόντα λιθίου δεν κινούνται τόσο εύκολα μέσα από τα στερεά. Σε πολλά προηγούμενα σχέδια, η επίτευξη γρήγορης κίνησης ιόντων απαιτούσε ακριβά μέταλλα ή σύνθετα βήματα κατασκευής.
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το ζήτημα, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν στη βελτίωση του τρόπου με τον οποίο τα ιόντα λιθίου ταξιδεύουν μέσα στον στερεό ηλεκτρολύτη. Η λύση τους επικεντρώθηκε σε «δισθενή ανιόντα» όπως το οξυγόνο και το θείο. Αυτά τα στοιχεία μπορούν να αλλάξουν την κρυσταλλική δομή του ηλεκτρολύτη, καθιστώντας τα μέρος του βασικού του πλαισίου, το οποίο επηρεάζει άμεσα τον τρόπο με τον οποίο τα ιόντα κινούνται μέσα στο υλικό.
Η ομάδα εφάρμοσε αυτήν την ιδέα σε στερεούς ηλεκτρολύτες αλογονιδίων με βάση το ζιρκόνιο (Zr), κατασκευασμένους από φθηνά υλικά. Εισάγοντας προσεκτικά δισθενή ανιόντα, απέκτησαν ακριβή έλεγχο της εσωτερικής δομής. Αυτή η αρχή σχεδιασμού, που ονομάζεται «Μηχανισμός Ρύθμισης Πλαισίου», επεκτείνει τις οδούς μέσω των οποίων ταξιδεύουν τα ιόντα λιθίου και μειώνει την ενέργεια που απαιτείται για την κίνησή τους. Η προσαρμογή του περιβάλλοντος σύνδεσης και της κρυσταλλικής δομής γύρω από τα ιόντα λιθίου τους επέτρεψε να κινούνται ταχύτερα και πιο εύκολα.
Οι δομικές αλλαγές
Για να επιβεβαιώσουν ότι αυτές οι εσωτερικές αλλαγές συνέβαιναν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν διάφορα αναλυτικά εργαλεία υψηλής ακρίβειας, όπως:
--Περίθλαση ακτίνων Χ υψηλής ενέργειας Synchrotron (Synchrotron XRD)
Ανάλυση Συνάρτησης Κατανομής Ζευγαριών (PDF)
-Φασματοσκοπία Απορρόφησης Ακτίνων Χ (XAS)
-Μοντελοποίηση Θεωρίας Συναρτησιακής Πυκνότητας (DFT) για ηλεκτρονική δομή και διάχυση
Αυτές οι τεχνικές βοήθησαν την ομάδα να επαληθεύσει πώς άλλαξε η κρυσταλλική δομή και πώς αυτές οι αλλαγές επηρέασαν τη μεταφορά ιόντων λιθίου.
Ισχυρά κέρδη απόδοσης με υλικά χαμηλού κόστους
Οι δοκιμές έδειξαν ότι οι ηλεκτρολύτες που περιέχουν οξυγόνο ή θείο αύξησαν την κινητικότητα των ιόντων λιθίου κατά δύο έως τέσσερις φορές σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ηλεκτρολύτες με βάση το ζιρκόνιο. Αυτό το αποτέλεσμα καταδεικνύει ότι επίπεδα απόδοσης κατάλληλα για εφαρμογές μπαταριών στερεάς κατάστασης σε πραγματικό κόσμο μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας προσιτά υλικά.
Σε θερμοκρασία δωματίου, ο ηλεκτρολύτης με προσμίξεις οξυγόνου έφτασε σε ιοντική αγωγιμότητα περίπου 1,78 mS/cm, ενώ η έκδοση με προσμίξεις θείου μέτρησε περίπου 1,01 mS/cm. Η ιοντική αγωγιμότητα αντικατοπτρίζει το πόσο ομαλά κινούνται τα ιόντα λιθίου μέσα από ένα υλικό και τιμές άνω του 1 mS/cm θεωρούνται γενικά επαρκείς για πρακτική χρήση μπαταρίας σε θερμοκρασία δωματίου.
Μετατόπιση της καινοτομίας στις μπαταρίες προς έναν πιο έξυπνο σχεδιασμό
Ο καθηγητής Dong-Hwa Seo τόνισε τον ευρύτερο αντίκτυπο των ευρημάτων, δηλώνοντας: «Μέσω αυτής της έρευνας, παρουσιάσαμε μια αρχή σχεδιασμού που μπορεί ταυτόχρονα να βελτιώσει το κόστος και την απόδοση των μπαταριών στερεάς κατάστασης χρησιμοποιώντας φθηνές πρώτες ύλες. Το δυναμικό της για βιομηχανική εφαρμογή είναι πολύ υψηλό». Ο επικεφαλής συγγραφέας Jae-Seung Kim πρόσθεσε ότι η εργασία αντιπροσωπεύει μια μετατόπιση της εστίασης από το «ποια υλικά να χρησιμοποιηθούν» στο «πώς να τα σχεδιάσουν» κατά την ανάπτυξη υλικών μπαταριών επόμενης γενιάς.
www.worldenergynews.gr
