Οι μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα μπορούν να αποθηκεύσουν σημαντικά περισσότερη ενέργεια από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, αλλά μέχρι τώρα ήταν πρακτικά αδύνατο να επαναφορτιστούν. Μια ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Jörg J. Schneider από το Τμήμα Χημείας απέδειξε πλέον πώς ένα υλικό αποτελούμενο από σίδηρο, νικέλιο και άνθρακα επιτρέπει τη φόρτιση και εκφόρτιση της μπαταρίας έως και 500 φορές.
Σωματίδια σπινελίου αγκυρωμένα σε άνθρακα
Χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες σε ακουστικά βαρηκοΐας: οι μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα. Είναι τεχνολογικά ώριμες και ευρέως διαδεδομένες, αλλά παρουσιάζουν ένα σημαντικό μειονέκτημα: μόλις εκφορτιστούν, καταλήγουν στα σκουπίδια.
Οι επαναφορτιζόμενες εκδόσεις τους ήταν μέχρι στιγμής σπάνιες στην αγορά. Ωστόσο, διαθέτουν μεγάλες προοπτικές. Θεωρητικά, οι μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα μπορούν να αποθηκεύσουν έως και πέντε φορές περισσότερη ενέργεια από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα. Τα κύρια εμπόδια είναι η δυνατότητα πλήρους επαναφόρτισής τους και οι πολύπλοκες χημικές διεργασίες στο εσωτερικό του στοιχείου, οι οποίες είναι τεχνικά δύσκολο να ελεγχθούν. Ακριβώς αυτό καθιστά το θέμα τόσο συναρπαστικό για τη βασική έρευνα.
Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Jörg J. Schneider από το Τμήμα Χημείας του TU Darmstadt περιέγραψε πρόσφατα, στο περιοδικό *Advanced Science*, ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας ψευδαργύρου-αέρα. Η ομάδα ανέπτυξε ένα νέο υλικό και μελέτησε τις ηλεκτροχημικές του ιδιότητες· το υλικό αυτό λειτουργεί ως ένας ιδιαίτερα αποδοτικός και ανθεκτικός καταλύτης στο εσωτερικό της μπαταρίας.
Η χημεία των μπαταριών
Το υλικό βασίζεται στα λεγόμενα σπινέλια. Αυτή η ομάδα ορυκτών είναι ευρέως διαδεδομένη στη φύση· ένα παράδειγμα είναι ο τρεβορίτης, μια ένωση νικελίου, σιδήρου και οξυγόνου. Στη χημεία, την επιστήμη των υλικών και την ηλεκτρολογία, τα σπινέλια χρησιμοποιούνται ήδη με διάφορους τρόπους χάρη στις ιδιαίτερες ιδιότητές τους.
Οι ερευνητές από το Darmstadt προσάρτησαν άμεσα και σταθερά μικροσκοπικά σωματίδια σπινελίου —με μέγεθος μόλις λίγων νανομέτρων— σε νανοϋλικά άνθρακα. Επιπλέον, τα στοιχεία άζωτο και φώσφορος ενσωματώνονται στην επιφάνεια του άνθρακα. Έτσι δημιουργείται ένα σύνθετο υλικό ικανό να επιτελεί ταυτόχρονα διάφορες λειτουργίες: άγει τον ηλεκτρισμό, είναι χημικά σταθερό και ενεργοποιεί το βασικό στοιχείο της μπαταρίας, το οξυγόνο.
Ένας καταλύτης σχεδιασμένος για επαναλαμβανόμενη φόρτιση
Μια μπαταρία ψευδαργύρου-αέρα χρησιμοποιεί οξυγόνο από τον αέρα του περιβάλλοντος. Κατά την εκφόρτιση, το οξυγόνο υφίσταται μια χημική αντίδραση· Κατά τη διάρκεια της φόρτισης, πρέπει να ανασχηματιστεί. Και οι δύο αντιδράσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν μόνο με τη βοήθεια καταλύτη. Η αναζήτηση υλικών που υποστηρίζουν αποτελεσματικά και με συνέπεια και τις δύο διαδικασίες είναι κεφαλαιώδους σημασίας. Ο νέος καταλύτης επιτυγχάνει ακριβώς αυτό: σε πειράματα, επέτρεψε την πραγματοποίηση έως και 500 κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης.
Καθοριστικό ρόλο εδώ διαδραματίζει ένα είδος «σημείου συνάντησης» στο εσωτερικό της μπαταρίας, όπου πρέπει να συναντηθούν τρία βασικά στοιχεία: ο στερεός καταλύτης, το υγρό διάλυμα ηλεκτρολύτη —το οποίο διευκολύνει τη μεταφορά φορτίου— και το οξυγόνο από τον αέρα. Μόνο εάν αυτή η περιοχή επαφής —την οποία οι ειδικοί αποκαλούν «τριπλό σημείο επαφής» (triple junction)— παραμείνει σταθερή κατά τη λειτουργία, θα λειτουργεί αξιόπιστα η μπαταρία. Το νέο σύνθετο υλικό δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για αυτό.
www.worldenergynews.gr
