Τεχνολογία που παρέχει σταθερή απόδοση, μεγαλύτερη αυτονομία οδήγησης και καταστέλλει τους δενδρίτες, αντιμετωπίζοντας ένα βασικό εμπόδιο στην εμπορευματοποίηση τέτοιων μπαταριών
Νοτιοκορεάτες ερευνητές αποκάλυψαν μια νέα τεχνολογία μπαταριών λιθίου-μετάλλου που θα μπορούσε να ωθήσει τα ηλεκτρικά οχήματα πιο κοντά στην εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση και σε μεγαλύτερη αυτονομία οδήγησης.
Η ανακάλυψη ανακοινώθηκε στις 25 Φεβρουαρίου από το Κορεατικό Ινστιτούτο Προηγμένης Επιστήμης και Τεχνολογίας, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυση ενός από τα πιο επίμονα προβλήματα στις μπαταρίες επόμενης γενιάς.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό υλικών και ενέργειας InfoMat.
Καθώς η υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων επιταχύνεται παγκοσμίως, οι αυτοκινητοβιομηχανίες αναζητούν μπαταρίες που αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια ανά λίβρα και επαναφορτίζονται σε λίγα λεπτά αντί για ώρες.
Οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου θεωρούνται ευρέως ως ένας πολλά υποσχόμενος διάδοχος των σημερινών συστημάτων ιόντων λιθίου, επειδή μπορούν να προσφέρουν πολύ υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα.
Ωστόσο, ζητήματα ασφάλειας και ανθεκτικότητας έχουν σταθεί εμπόδιο στην εμπορευματοποίηση.
Γιατί οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου δυσκολεύονται
Η μεγαλύτερη πρόκληση έρχεται κατά τη φόρτιση. Το λίθιο τείνει να σχηματίζει μικροσκοπικές δομές που μοιάζουν με βελόνες, γνωστές ως δενδρίτες. Αυτοί οι αιχμηροί κρύσταλλοι μπορούν να διαπεράσουν τα εσωτερικά στρώματα της μπαταρίας, προκαλώντας βραχυκυκλώματα, γρήγορη απώλεια χωρητικότητας, ακόμη και πυρκαγιές.
Αυτό το ζήτημα συνδέεται με αυτό που οι επιστήμονες ονομάζουν διεπιφανειακή αστάθεια. Εμφανίζεται στο όριο όπου το ηλεκτρόδιο συναντά τον ηλεκτρολύτη. Κατά την επαναλαμβανόμενη φόρτιση και εκφόρτιση, αυτή η διεπιφάνεια γίνεται ανομοιόμορφη. Το λίθιο στη συνέχεια εναποτίθεται ακανόνιστα, τροφοδοτώντας την ανάπτυξη δενδριτών και τη θερμική αστάθεια.
Ακόμα και υπό μέτριες συνθήκες, η διατήρηση σταθερής κίνησης λιθίου στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου έχει αποδειχθεί δύσκολη. Σε πολλά ερευνητικά περιβάλλοντα, οι πυκνότητες ρεύματος περίπου 4 μιλιαμπέρ ανά τετραγωνικό εκατοστό θεωρούνται ήδη υψηλές. Αυτό ισοδυναμεί με 4 mA που ρέουν μέσω κάθε 0,16 τετραγωνικών ίντσων επιφάνειας ηλεκτροδίου.
Η υπέρβαση αυτής της αστάθειας έχει θεωρηθεί ευρέως απαραίτητη για να καταστούν οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου βιώσιμες για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα στον πραγματικό κόσμο.
Το έξυπνο προστατευτικό στρώμα αναδιαμορφώνει τη ροή φορτίου
Η ερευνητική ομάδα διευθύνθηκε από τον καθηγητή Nam-Soon Choi και τον καθηγητή Seungbum Hong στο KAIST, σε συνεργασία με την ομάδα του καθηγητή Sang Kyu Kwak στο Πανεπιστήμιο της Κορέας.
Προσέγγισαν το πρόβλημα σε επίπεδο ηλεκτρονικής δομής αντί να βασίζονται σε συμβατικές τροποποιήσεις υλικών.
Η ομάδα εισήγαγε θειοφαίνιο στον ηλεκτρολύτη. Αυτό δημιούργησε αυτό που περιγράφουν ως ένα «έξυπνο προστατευτικό» στρώμα στην επιφάνεια του λιθίου. Σε αντίθεση με τις στατικές επιστρώσεις, αυτό το στρώμα αναδιοργανώνει δυναμικά την ηλεκτρονική του δομή.
Καθώς τα ιόντα λιθίου κινούνται, η εσωτερική κατανομή φορτίου μέσα στο στρώμα μετατοπίζεται ανάλογα.
Αυτή η ευέλικτη αναδιάταξη σχηματίζει σταθερές οδούς για τα ιόντα λιθίου, αποτρέποντας την ανομοιόμορφη συσσώρευση.
Το αποτέλεσμα ήταν η αποτελεσματική καταστολή της ανάπτυξης δενδριτών, ακόμη και υπό συνθήκες επιθετικής φόρτισης.
Σταθερή απόδοση υπό ακραία φόρτιση
Οι ερευνητές επέδειξαν γρήγορη φόρτιση εντός 12 λεπτών ενώ λειτουργούσαν με περισσότερα από 8 mA ανά τετραγωνικό εκατοστό. Τέτοια επίπεδα μοιάζουν πολύ με τις απαιτήσεις ισχύος που παρατηρούνται σε πραγματικά σενάρια γρήγορης φόρτισης και ταχείας επιτάχυνσης EV.
Για να επαληθεύσουν την εσωτερική συμπεριφορά της μπαταρίας, η ομάδα χρησιμοποίησε μικροσκοπία ατομικής δύναμης in situ.
Αυτό τους επέτρεψε να παρατηρήσουν την εναπόθεση λιθίου σε νανομετρική κλίμακα. Ακόμα και σε υψηλό ρεύμα, το λίθιο εναποτέθηκε και απομακρύνθηκε ομοιόμορφα σε όλη την επιφάνεια. Αυτό επιβεβαίωσε τη μηχανική και δομική σταθερότητα.
Είναι σημαντικό ότι η τεχνολογία λειτουργεί με ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά καθόδου, όπως φωσφορικό λίθιο σιδήρου, οξείδιο λιθίου-κοβαλτίου και οξείδιο λιθίου-νικελίου-κοβαλτίου-μαγγανίου. Επειδή είναι συμβατή με τις υπάρχουσες χημικές δομές των μπαταριών, θα μπορούσε να ενσωματωθεί στα τρέχοντα συστήματα κατασκευής ηλεκτρικών οχημάτων.
www.worldenergynews.gr
