Η νέα μέθοδος του SwRI αξιολογεί αν οι κυψέλες ιόντων νατρίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υπάρχοντα συστήματα χωρίς δαπανηρούς επανασχεδιασμούς
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούν σήμερα τη ραχοκοκαλιά της σύγχρονης αποθήκευσης ενέργειας που τροφοδοτεί τα πάντα, από τα smartphones έως τα ηλεκτρικά οχήματα, όμως το υψηλό κόστος τους και η αυξανόμενη ζήτηση αναγκάζουν τους επιστήμονες να εξετάσουν φθηνότερες εναλλακτικές.
Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου προσφέρουν μία πιθανή λύση. Ωστόσο, η χαμηλότερη αποθήκευση ενέργειας και το μεγαλύτερο βάρος τους καθιστούν την αντικατάσταση των κυψελών ιόντων λιθίου κάθε άλλο παρά απλή.
Τώρα, ερευνητές στο Southwest Research Institute (SwRI) ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για να προσδιορίζουν πότε οι μπαταρίες ιόντων νατρίου μπορούν να ανταποκριθούν στις ίδιες ηλεκτρικές απαιτήσεις με τις κυψέλες ιόντων λιθίου.
Αυτή η εξέλιξη δεν θα διευκολύνει την πλήρη αντικατάσταση των μπαταριών ιόντων λιθίου, αλλά θα μπορούσε να βοηθήσει τους κατασκευαστές να αλλάξουν τεχνολογία χωρίς περιττούς επανασχεδιασμούς.
Πέρα από τις προδιαγραφές των μπαταριών
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ευρέως επειδή μπορούν να αποθηκεύουν σημαντικές ποσότητες ενέργειας χωρίς να προσθέτουν υπερβολικό βάρος.
Ωστόσο, οι μπαταρίες ιόντων νατρίου βασίζονται σε πιο άφθονα και γενικά φθηνότερα υλικά, συμπεριλαμβανομένων αλάτων με βάση το νάτριο και συλλεκτών ρεύματος χαμηλότερου κόστους.
Στα μειονεκτήματά τους περιλαμβάνονται η χαμηλότερη αποθήκευση ενέργειας και η πιθανότητα μεγαλύτερων και βαρύτερων συστημάτων μπαταριών. Η πρόκληση είναι ότι μια μπαταρία που αποδίδει καλά σε μία μέτρηση μπορεί να μην λειτουργεί απαραίτητα ως άμεση αντικατάσταση σε μια πραγματική συσκευή.
Οι υφιστάμενες μέθοδοι σύγκρισης εξετάζουν συνήθως χωριστά τη χωρητικότητα, την τάση, την εμπέδηση, την απόδοση ή την ικανότητα ισχύος. Αυτές οι μετρήσεις είναι χρήσιμες, αλλά δεν καθορίζουν εάν δύο διαφορετικές τεχνολογίες μπαταριών μπορούν να ολοκληρώσουν την ίδια εργασία που αφορά μια συγκεκριμένη εφαρμογή υπό πανομοιότυπες συνθήκες λειτουργίας.
Οι ερευνητές του SwRI επιχείρησαν να καλύψουν αυτό το κενό αναπτύσσοντας τον Δείκτη Ηλεκτρικής Εναλλαξιμότητας (Electrical Interchangeability Index - EII), ένα αριθμητικό πλαίσιο σχεδιασμένο να προσδιορίζει πότε διαφορετικές τεχνολογίες μπαταριών μπορούν να παρέχουν συγκρίσιμη ηλεκτρική απόδοση για την ίδια εφαρμογή.
«Ο EII, ο οποίος λαμβάνει υπόψη την εφαρμογή, παρέχει στους κατασκευαστές και σχεδιαστές εξοπλισμού ένα ποσοτικό μέτρο για το κατά πόσο δύο μπαταρίες μπορούν να εκτελέσουν τον ίδιο κύκλο λειτουργίας ή εάν μια αντικατάσταση θα μπορούσε να θέσει σε κίνδυνο την απόδοση ή να απαιτήσει αλλαγές στο σύστημα μπαταρίας», δήλωσε ο Shuvodeep Bhattacharjya, ένας από τους ερευνητές και μηχανικός στο SwRI.
Δοκιμή του κατά πόσο δύο τεχνολογίες μπαταριών μπορούν να κάνουν την ίδια δουλειά
Η ομάδα πραγματοποίησε ένα εσωτερικά χρηματοδοτούμενο έργο για να εξετάσει εάν οι κυψέλες ιόντων νατρίου θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν μπαταρίες ιόντων λιθίου μορφής 18650, οι οποίες έχουν διάμετρο 18 χιλιοστά και μήκος 65 χιλιοστά και χρησιμοποιούνται ευρέως σε φορητούς υπολογιστές, ηλεκτρικά εργαλεία και ηλεκτρικά οχήματα.
Αντί να συγκρίνουν μεμονωμένες προδιαγραφές, οι ερευνητές δοκίμασαν και τους δύο τύπους κυψελών σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών λειτουργίας, μετρώντας τον τρόπο με τον οποίο ανταποκρίνονταν σε απαιτήσεις που αφορούσαν συγκεκριμένες εφαρμογές, όπως η παροχή και η απορρόφηση ισχύος.
«Εντοπίσαμε περιοχές λειτουργίας “υψηλού EII”, όπου οι δύο τύποι κυψελών παρουσίασαν ισχυρή λειτουργική ισοδυναμία, με αμελητέες διαφορές στην αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας, στη διαθέσιμη χωρητικότητα και στην ικανότητα ισχύος, και περιοχές “χαμηλού EII”, όπου η αντικατάσταση θα ήταν απαράδεκτη», δήλωσε ο Bhattacharjya.
Οι ερευνητές αξιολόγησαν στη συνέχεια επίσης τους ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης, τα όρια τάσης και την παρακολούθηση ισχύος.
Τα επαναλαμβανόμενα αποτελέσματα στις περιοχές υψηλού EII έδειξαν ότι οι δύο τεχνολογίες μπορούσαν να εκτελέσουν τις ίδιες λειτουργίες εντός των αντίστοιχων συνθηκών λειτουργίας τους.
Ένα εργαλείο για τον σχεδιασμό μπαταριών στο μέλλον
Ο EII θα μπορούσε να βοηθήσει τους κατασκευαστές να αξιολογήσουν τις μπαταρίες ιόντων νατρίου ως εναλλακτικές ή δευτερεύουσες πηγές για συστήματα που έχουν σχεδιαστεί γύρω από την τεχνολογία ιόντων λιθίου, δείχνοντας πότε είναι δυνατή η αντικατάσταση και πότε απαιτείται επανασχεδιασμός.
«Αυτή η αρχική εργασία παρέχει μια δομημένη, επαληθεύσιμη μέθοδο για την αξιολόγηση του πού νέες χημικές τεχνολογίες, όπως οι μπαταρίες ιόντων νατρίου, μπορούν να ενσωματωθούν σε υπάρχοντα σχέδια και πού συνιστάται ή ακόμη και απαιτείται επανασχεδιασμός», δήλωσε ο Scott Sjovall, διευθυντής του Τμήματος Έρευνας και Καινοτομίας Συστημάτων Μπαταριών στο SwRI.
«Από επιχειρηματικής άποψης, ο EII του SwRI μπορεί να υποστηρίξει την επιλογή χημικής τεχνολογίας, την πιστοποίηση δεύτερης πηγής και την αξιολόγηση εναλλακτικών ή υβριδικών τεχνολογιών μπαταριών, μειώνοντας παράλληλα την περιττή επαναανάπτυξη συστημάτων», πρόσθεσε ο Sjovall.
Ωστόσο, το αρχικό πλαίσιο δεν αποδεικνύει ότι οι κυψέλες ιόντων νατρίου μπορούν να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου σε κάθε εφαρμογή ή καθ' όλη τη διάρκεια ζωής τους.
Το SwRI σχεδιάζει να επεκτείνει τον EII σε άλλες χημικές τεχνολογίες μπαταριών, μορφές κυψελών και τομείς εφαρμογών, εξετάζοντας παράλληλα τον τρόπο με τον οποίο η γήρανση, η υποβάθμιση και η θερμική διαχείριση επηρεάζουν την εναλλαξιμότητα.
www.worldenergynews.gr
