Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν τον κόσμο. Πιθανότατα έχετε τουλάχιστον μία – αλλά πιθανώς δύο ή τρεις – σε κοντινή απόσταση αυτή τη στιγμή. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν το επιβλητικό 70% όλων των επαναφορτιζόμενων συσκευών, που κυμαίνονται σε μέγεθος και εύρος, από ηλεκτρικά οχήματα έως smartphones και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας σε κλίμακα κοινής ωφέλειας. Αλλά ενώ η τεχνολογία έχει γίνει σχεδόν πανταχού παρούσα στην καθημερινότητά μας, υπάρχουν ακόμα πολλά που δεν καταλαβαίνουμε σχετικά με τις φυσικές και χημικές διεργασίες που τροφοδοτούν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Οι αντιδράσεις των μπαταριών λιθίου
Μέχρι τώρα, πολλές πτυχές του σχεδιασμού μπαταριών ιόντων λιθίου έχουν επιτευχθεί μέσω δοκιμών και σφαλμάτων. Οι ερευνητές έχουν τροποποιήσει ηλεκτρόδια και ηλεκτρολύτες και έχουν σημειώσει ποιες διαμορφώσεις παράγουν αυξημένη ενέργεια, ισχύ, ταχύτητα φόρτισης και διάρκεια ζωής της μπαταρίας, και έχουν χρησιμοποιήσει αυτές τις ανακαλύψεις για να καθοδηγήσουν τις διαδικασίες σχεδιασμού χωρίς να κατανοήσουν πλήρως την επιστήμη πίσω από αυτές.
Ενώ καταλαβαίνουμε σε βασικό επίπεδο τι συμβαίνει όταν μια μπαταρία ιόντων λιθίου επαναφορτίζεται, υπάρχουν πολλά σχετικά με την αντίδραση που παραμένουν άγνωστα. Η ίδια η αντίδραση είναι σχετικά απλή και μπορεί να λάβει χώρα σε υγρό διάλυμα ή σε στερεό ηλεκτρόδιο. Σε κάθε περίπτωση, τα ιόντα λιθίου ξεκινούν σε μορφή ηλεκτρολύτη και στη συνέχεια «παρεμβάλλονται» ή εισάγονται στο διάλυμα ή στο ηλεκτρόδιο, ανάλογα με την περίπτωση, ενώ η μπαταρία αποφορτίζεται. Κατά τη φόρτιση, τα ιόντα αποεμβολιάζονται και επιστρέφουν στον ηλεκτρολύτη. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται χιλιάδες φορές κατά τη διάρκεια ζωής μιας μπαταρίας.
«Η ποσότητα ενέργειας που μπορεί να παράγει η μπαταρία και το πόσο γρήγορα μπορεί να φορτίσει εξαρτάται από το πόσο γρήγορα συμβαίνει αυτή η αντίδραση», αναφέρει το MIT News σε άρθρο που δημοσιεύτηκε νωρίτερα αυτόν τον μήνα. «Ωστόσο, λίγα είναι γνωστά για τον ακριβή μηχανισμό αυτής της αντίδρασης ή τους παράγοντες που ελέγχουν τον ρυθμό της».
Μια νέα έρευνα αποκαλύπτει
Αλλά μια νέα μελέτη του MIT προσπαθεί να το αλλάξει αυτό παρατηρώντας τους ρυθμούς παρεμβολής σε διάφορους τύπους μπαταριών και καταγράφοντας σχολαστικά τις συγκεκριμένες συνθήκες που διευκολύνουν αυτές τις αντιδράσεις. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η διαδικασία παρεμβολής που φορτίζει τις μπαταρίες ιόντων λιθίου διέπεται από μια ακόμη διαδικασία - τη συζευγμένη μεταφορά ιόντων-ηλεκτρονίων. Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρόνιο ταξιδεύει παράλληλα με το ιόν λιθίου στο ηλεκτρόδιο. Αυτό το εύρημα θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να σχεδιάσουν καλύτερα και ταχύτερα φορτιζόμενα μοντέλα μπαταριών.
«Αυτό που ελπίζουμε ότι θα καταστεί δυνατό από αυτή την εργασία είναι να επιταχύνουμε και να ελέγξουμε καλύτερα τις αντιδράσεις, κάτι που μπορεί να επιταχύνει τη φόρτιση και την εκφόρτιση», δήλωσε στο MIT News ο Martin Bazant, καθηγητής Χημικής Μηχανικής της Chevron και καθηγητής μαθηματικών στο MIT. Σε συνδυασμό με άλλες εργασίες σχετικά με την ισχύ και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών ιόντων λιθίου, αυτά τα ευρήματα θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε πολύ πιο εξελιγμένο σχεδιασμό μπαταριών.
Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε ενδεχομένως να διασφαλίσει ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου θα διατηρήσουν την κυριαρχία τους στον τεχνολογικό κλάδο σε μια εποχή που άλλες τεχνολογίες κερδίζουν γρήγορα έδαφος. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, αν και εξαιρετικά χρήσιμες, συνδέονται με μια σειρά από αρνητικές εξωτερικότητες. Η εξόρυξη και η παραγωγή λιθίου είναι περιβαλλοντικά επιβλαβής και απαιτεί πολλούς πόρους. Είναι επίσης γεωπολιτικά προβληματική, καθώς η Κίνα ελέγχει ένα τεράστιο μέρος των παγκόσμιων αλυσίδων εφοδιασμού λιθίου. Λόγω αυτών των μειονεκτημάτων, οι επενδύσεις έχουν αυξηθεί στην έρευνα και ανάπτυξη εναλλακτικών τύπων μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων των μπαταριών πρωτονίων, των μπαταριών ιόντων νατρίου και των κβαντικών μπαταριών.
Δύσκολα το λίθιο θα χάσει την θέση του
Αλλά η εκδίωξη του λιθίου θα είναι δύσκολο να γίνει, ειδικά με τις επιστημονικές εξελίξεις όπως αυτές που διαδραματίζονται στο MIT. Το λίθιο είναι πολύ χρήσιμο για να ξεφορτωθεί κανείς. Το στοιχείο είναι εξαιρετικά ενεργειακά πυκνό και αποδίδει καλά σε κρύο καιρό, καθιστώντας το «απαραίτητο για εφαρμογές υψηλής απόδοσης» σύμφωνα με το EV World. Ως εκ τούτου, μερικές από τις πιο πολλά υποσχόμενες εναλλακτικές λύσεις ιόντων λιθίου εξακολουθούν να βασίζονται στο λίθιο, όπως οι μπαταρίες λιθίου-σιδήρου και οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης.
Τελικά, είναι πιθανό η μετάβαση στην πράσινη ενέργεια να βασιστεί σε μια προσέγγιση σχεδιασμού μπαταριών που να περιλαμβάνει όλα τα παραπάνω. Όπως συνοψίζει το EV World, «το μέλλον δεν είναι το λίθιο ή το νάτριο - είναι και τα δύο, στρατηγικά αναπτυγμένα σε όλους τους τομείς... το αποτέλεσμα είναι μια διαφοροποιημένη, ανθεκτική οικονομία μπαταριών».
www.worldenergynews.gr
