Σε μια κοινή μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, η ερευνητική ομάδα —υπό την κοινή καθοδήγηση των Richard Friesner (Τμήμα Χημείας) και Alexander Urban, Lauren Marbella και Daniel Steingart (Σχολή Μηχανικής του Κολούμπια)— έριξε νέο φως στη δομή, σε ατομικό επίπεδο, των ηλεκτρολυτών στις μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIB). Τα ευρήματα αυτά ανοίγουν τον δρόμο για τη δημιουργία μπαταριών με μεγαλύτερη χωρητικότητα, ταχύτερη φόρτιση και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής
Έρευνα από μέλη του διδακτικού προσωπικού του Πανεπιστημίου Κολούμπια —από τις σχολές Τεχνών και Επιστημών καθώς και Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών— αποκάλυψε νέα στοιχεία που αμφισβητούν μακροχρόνιες παραδοχές σχετικά με τη θεμελιώδη χημεία των μπαταριών ιόντων λιθίου.
Εμφάνιση συσσωματωμάτων λιθίου σε προσομοιώσεις
Σε μια κοινή μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό *Nature*, η ερευνητική ομάδα —υπό την κοινή καθοδήγηση των Richard Friesner (Τμήμα Χημείας) και Alexander Urban, Lauren Marbella και Daniel Steingart (Σχολή Μηχανικής του Κολούμπια)— έριξε νέο φως στη δομή, σε ατομικό επίπεδο, των ηλεκτρολυτών στις μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIB). Τα ευρήματα αυτά ανοίγουν τον δρόμο για τη δημιουργία μπαταριών με μεγαλύτερη χωρητικότητα, ταχύτερη φόρτιση και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Η έρευνα αντιμετωπίζει ένα χρόνιο εμπόδιο στον σχεδιασμό συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας. Οι ηλεκτρολύτες στις μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι καθοριστικοί για την απόδοση της μπαταρίας, καθώς καθορίζουν τον σχηματισμό της «διεπιφάνειας στερεού ηλεκτρολύτη» (solid electrolyte interphase) — ενός κρίσιμου προστατευτικού υμένα στην άνοδο της μπαταρίας, ο οποίος επηρεάζει τόσο τη διάρκεια ζωής όσο και την ασφάλειά της. Ωστόσο, η λεπτομερής κατανόηση —σε ατομικό επίπεδο— του τρόπου με τον οποίο η δομή του ηλεκτρολύτη επηρεάζει αυτές τις ιδιότητες ήταν, μέχρι σήμερα, εξαιρετικά δύσκολη.
Χρησιμοποιώντας προηγμένη τεχνολογία πεδίων δυνάμεων (force fields) βασισμένη στη μηχανική μάθηση —η οποία παρέχεται από την εταιρεία Schrödinger Inc.— και με επιπλέον υποστήριξη από το Κέντρο Δομικής Βιολογίας της Νέας Υόρκης (New York Structural Biology Center), η ερευνητική ομάδα προσομοίωσε τους ηλεκτρολύτες των μπαταριών ιόντων λιθίου με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια και σε μεγαλύτερη κλίμακα. Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι τα ιόντα λιθίου σχηματίζουν συχνά συσσωματώματα (clusters) απουσία ανιόντων — ένα θεμελιώδες δομικό φαινόμενο που δεν είχε αναγνωριστεί προηγουμένως.
«Ανακαλύψαμε ότι, στις μπαταρίες, τα ιόντα λιθίου ομαδοποιούνται σε συσσωματώματα όταν απουσιάζουν τα ανιόντα, και ότι αυτά ακριβώς τα συσσωματώματα είναι υπεύθυνα για τη δημιουργία του προστατευτικού υμένα στην επιφάνεια της μπαταρίας», δήλωσε ο Richard Friesner, καθηγητής Χημείας (κάτοχος της έδρας William P. Schweitzer) και συνιδρυτής και μέλος του διοικητικού συμβουλίου της Schrödinger.
«Το γεγονός ότι μπορέσαμε να προβλέψουμε υπολογιστικά αυτή την απρόσμενη χημική συμπεριφορά και να την επιβεβαιώσουμε πειραματικά, αποδεικνύει ότι είμαστε σε θέση να μοντελοποιήσουμε με ακρίβεια τις κρυφές ατομικές λεπτομέρειες των μπαταριών», συνέχισε. «Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτά υποδεικνύουν ότι πολλά —αν όχι τα περισσότερα— πολύπλοκα χημικά συστήματα μπορούν πλέον να αποτελέσουν αντικείμενο προγνωστικών προσομοιώσεων που βασίζονται στη φυσική, με τη χρήση πεδίων δυνάμεων μηχανικής μάθησης, φτάνοντας σε επίπεδο ατομικής ανάλυσης».
Σύνδεση των συσσωματωμάτων με την προστασία των μπαταριών
Οι κβαντοχημικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν ότι αυτά τα συσσωματώματα πολλαπλών ιόντων λιθίου παρουσιάζουν εξαιρετικά ευνοϊκά δυναμικά αναγωγής. Αυτό υποδηλώνει ότι αποτελούν κρίσιμα ενδιάμεσα στάδια στον σχηματισμό της διεπιφάνειας στερεού ηλεκτρολύτη (solid electrolyte interphase - SEI), η οποία είναι καθοριστικής σημασίας για τη διάρκεια ζωής και την ασφάλεια των μπαταριών. Τα συμπεράσματα αυτά προσφέρουν μια θεμελιώδη κατανόηση που μπορεί να καθοδηγήσει τον σχεδιασμό ηλεκτρολυτών επόμενης γενιάς, με βελτιωμένη απόδοση, σταθερότητα και ταχύτητες φόρτισης.
Στη συγκεκριμένη έρευνα συνέβαλαν, μεταξύ άλλων, οι ομάδες από το Πανεπιστήμιο Κολούμπια και την εταιρεία Schrödinger, οι οποίες πραγματοποίησαν τη θεωρητική ανάλυση, καθώς και η Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Κολούμπια, η οποία διεξήγαγε το πειραματικό έργο.
«Αν και το πιο καινοτόμο στοιχείο της εργασίας είναι οι θεωρητικές προσομοιώσεις, το πειραματικό έργο που επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα ήταν απαραίτητο, αλλά και εξαιρετικά δύσκολο στην εκτέλεσή του», πρόσθεσε ο Friesner. «Αποτελεί μια υπενθύμιση —και ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα— του πώς οι εξελίξεις στις προσομοιώσεις που βασίζονται στην Τεχνητή Νοημοσύνη πρέπει να συνδέονται στενά με τα πειράματα. Σε τελική ανάλυση, αυτό θα μας επιτρέψει να επιταχύνουμε την πρόοδό μας στην επίλυση προβλημάτων στη βιολογία και την επιστήμη των υλικών, συμπεριλαμβανομένης της δημιουργίας καλύτερων μπαταριών με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής».
www.worldenergynews.gr
