Μια συνεργασία ερευνητών που εργάζονται σε ερευνητικά ιδρύματα στην Ινδία, την Αυστραλία και το Ηνωμένο Βασίλειο χρησιμοποίησε ένα 270 ετών φυσικό κόλπο για να κατασκευάσει μια ατομική λεωφόρο μέσα στην κάθοδο μιας μπαταρίας ιόντων νατρίου.
Μπορεί να μειωθεί το κόστος αποθήκευσης ενέργειας
Η προσέγγιση αυτή μπορεί να βοηθήσει στην απελευθέρωση μεγάλης κλίμακας υποδομών αποθήκευσης ενέργειας χρησιμοποιώντας φθηνό, άφθονα διαθέσιμο νάτριο.
Η μετάβαση σε μια καθαρή, πράσινη οικονομία βασίζεται στη χρήση μπαταριών ιόντων λιθίου για την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας που συλλέγεται από ηλιακούς και αιολικούς σταθμούς. Αυτές οι μπαταρίες είναι επίσης σημαντικές για την αποθήκευση ενέργειας σε συσκευές που κυμαίνονται από smartphones έως ηλεκτρικά οχήματα (EVs).
Ωστόσο, η εξαγωγή λιθίου είναι δύσκολη και δεν είναι φιλική προς το περιβάλλον, καθιστώντας τη χρήση της σε μεγάλη κλίμακα οικονομικά και περιβαλλοντικά δαπανηρή.
Από την άλλη πλευρά, η χρήση άφθονα διαθέσιμων επιλογών όπως το νάτριο για την κατασκευή μπαταριών μπορεί να βοηθήσει στη μείωση του κόστους και είναι επίσης καλύτερη για το περιβάλλον μακροπρόθεσμα. Αλλά τα ιόντα νατρίου είναι μεγάλα και μπορούν να φράξουν την κάθοδο, φθείροντάς την. Για να αποφευχθεί αυτό, οι επιστήμονες αναζητούν ένα κατάλληλο υλικό καθόδου.
Κατασκευή μιας ατομικής λεωφόρου
Ερευνητές στο Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημονικής Εκπαίδευσης και Έρευνας (IISER) στο Μποπάλ και στο Ινδικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκαντιναγκάρ (IITGN) συνεργάστηκαν με συναδέλφους στο Πανεπιστήμιο του Νότιου Κουίνσλαντ στην Αυστραλία και στο Πανεπιστήμιο Swansea στο Ηνωμένο Βασίλειο για να αναπτύξουν μια κάθοδο που επιτρέπει την ταχεία, επαναλαμβανόμενη κίνηση ιόντων νατρίου χωρίς να καταστρέφει τη δομή της.
«Αποφασίσαμε να κατασκευάσουμε την κατάλληλη υποδομή καθόδου, μια ατομική λεωφόρο, ώστε τα ιόντα νατρίου να μπορούν να διασχίζουν γρήγορα!», εξήγησε ο Subhajit Singha, διδάκτορας στο IISER Μποπάλ, ο οποίος συμμετείχε στην εργασία.
Χρησιμοποιώντας Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), ένα μείγμα φωσφορικού-πυροφωσφορικού με βάση τον σίδηρο, οι ερευνητές κατασκεύασαν την κάθοδο που σχηματίζει φυσικά μια σταθερή τρισδιάστατη δομή τύπου σήραγγας για να διευκολύνει τη ροή ιόντων νατρίου.
Χρησιμοποιώντας το φαινόμενο Leidenfrost
Οι ερευνητές γνώριζαν ότι η χρήση υλικών με βάση τον καθαρό σίδηρο για την κάθοδο προκαλεί προβλήματα αγωγιμότητας και μεταφοράς ενέργειας. Για να ξεπεραστεί αυτό, οι ερευνητές πρόσθεσαν ίνδιο στο μείγμα.
Η αντικατάσταση μόνο του 1% των ατόμων σιδήρου με ίνδιο επέτρεψε στους ερευνητές να αυξήσουν την ατομική απόσταση του υλικού καθόδου. Αυτό επέτρεψε στα ιόντα νατρίου να ρέουν πιο εύκολα, βελτιώνοντας έτσι την αγωγιμότητα της καθόδου.
Αλλά η απλή βελτίωση της συνταγής του υλικού καθόδου δεν ήταν αρκετή. Οι ερευνητές έπρεπε επίσης να βελτιώσουν τη διαδικασία κατασκευής του υλικού. Έτσι, αξιοποίησαν το φαινόμενο Leidenfrost.
Πριν από 270 χρόνια, ο Γερμανός γιατρός Johann Gottlob Leidenfrost παρατήρησε ότι οι σταγόνες νερού γλιστρούν στην επιφάνεια υπερθερμασμένου μετάλλου σαν να μην υπήρχε τριβή. Αυτό συνέβη επειδή οι υδρατμοί δημιούργησαν ένα μαξιλάρι στην επιφάνεια πολύ πάνω από το σημείο βρασμού, επιτρέποντας στο νερό να γλιστράει.
Αυτό το φαινόμενο επιτρέπει στα τηγάνια από ανοξείδωτο χάλυβα να γίνονται αντικολλητικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Αλλά οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτό το φαινόμενο για να ψεκάσουν το υλικό της καθόδου σε μια μεταλλική επιφάνεια, ενεργοποιώντας το φαινόμενο Leidenfrost και εξατμίζοντάς το στιγμιαία.
Σε τι βοηθήθηκαν οι ερευνητές
Το αποτέλεσμα ήταν συντηγμένα πορώδη σωματίδια που ψήθηκαν σε μια σκόνη που λειτουργεί σαν κόκκοι σφουγγαριού, απορροφώντας το υγρό ηλεκτρολύτη για ομαλότερη μεταφορά ιόντων νατρίου.
Αυτό βοήθησε τους ερευνητές να αποφύγουν τους κλιβάνους, καθιστώντας τη διαδικασία κατασκευής πιο φιλική προς το περιβάλλον, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι η κρυσταλλική δομή της καθόδου παραμένει άθικτη για χιλιάδες κύκλους. Συγκριτικά, οι τυπικές μπαταρίες ιόντων λιθίου διαρκούν μερικές εκατοντάδες κύκλους.
«Το βελτιστοποιημένο υλικό της καθόδου επέδειξε υψηλή ενεργειακή πυκνότητα ~359 Wh kg-1 και αξιοσημείωτη ανθεκτικότητα με σταθερή απόδοση σε 10.000 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης», δήλωσε ο Raghavan Ranganathan, αναπληρωτής καθηγητής στο IITGN, σε δελτίο τύπου.
www.worldenergynews.gr
