Ερευνητές στη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Πανεπιστημίου Κολούμπια ανέπτυξαν έναν νέο ηλεκτρολύτη γέλης για μπαταρίες ιόντων λιθίου χωρίς ανόδους, ο οποίος βελτιώνει την ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής τους. Για να το αναπτύξουν, οι ερευνητές έπρεπε να επανεξετάσουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολυμερικών ηλεκτρολυτών και ιόντων λιθίου σε νανοκλίμακα.
Οι λύσεις αποθήκευσης
Η αυξημένη ζήτηση για ηλεκτροδότηση καλύπτεται με την πιο ενεργειακά πυκνή λύση αποθήκευσης ενέργειας που έχει αναπτύξει η ανθρωπότητα - τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χωρίς ανόδους υπόσχονται ακόμη υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τις αντίστοιχες που περιέχουν ανόδους, και με χαμηλότερο κόστος.
Ωστόσο, η τεχνολογία δεν έχει φτάσει στο μέγιστο των δυνατοτήτων της λόγω ζητημάτων όπως η ασταθής επιμετάλλωση λιθίου και οι αντιδράσεις στη διεπαφή ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη, οι οποίες μειώνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και εγείρουν ανησυχίες για την ασφάλεια.
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Yuan Yang, αναπληρωτή καθηγητή εφαρμοσμένης φυσικής και μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια, βρήκε μια λύση σε αυτό το πρόβλημα σε έναν ηλεκτρολύτη γέλης.
Αναδιαμόρφωση της διαλυτοποίησης ιόντων
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα παρασιτικό δίκτυο αλατοφοβικού πολυμερούς στον σχεδιασμό του ηλεκτρολύτη τους, το οποίο απωθεί επιλεκτικά τα ιόντα λιθίου ενώ παράλληλα προσελκύει μόρια διαλύτη. Το πλεονέκτημα της χρήσης ενός τέτοιου συστήματος είναι ότι ο ηλεκτρολύτης διαιρείται σε νανοκλίμακα σε διαφορετικές συνθέσεις. Αυτό επιτρέπει τον σχηματισμό ενός προστατευτικού στρώματος στην επιφάνεια του λιθίου.
Σε προηγούμενες προσπάθειες, οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει ηλεκτρολύτες με υψηλή φθορίωση, αλλά δεν έχουν επιτύχει αυτόν τον διαχωρισμό τόσο αποτελεσματικά. Στο πολυμερές πηκτής, τα ιόντα λιθίου αναγκάζονται να συντονίζονται πιο έντονα με τα ανιόντα παρά με τα μόρια διαλύτη.
Για να κατανοήσουν καλύτερα τον ρόλο του ηλεκτρολύτη πηκτής, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τεχνικές όπως η φασματοσκοπία, η κρυογονική ηλεκτρονική μικροσκοπία και η μοριακή προσομοίωση για να διαπιστώσουν ότι το δίκτυο πηκτής προάγει τον σχηματισμό μιας λεπτής, πλούσιας σε ανόργανα ενδιάμεσης φάσης, η οποία εξασφαλίζει ομαλότερη, πυκνότερη εναπόθεση λιθίου.
Ένας ηλεκτρολύτης πολυμερούς πηκτής in-situ με βάση φθοροακρυλικό που διαθέτει ένα παρασιτικό δίκτυο αλατοφοβίας που προάγει με επιτυχία μια δομή διαλυτοποίησης πλούσια σε ανιόντα, επιτρέποντας τόσο εκτεταμένη διάρκεια ζωής όσο και βελτιωμένη θερμική σταθερότητα σε μια μπαταρία λιθίου χωρίς άνοδο. Ένας ηλεκτρολύτης πολυμερούς γέλης in-situ με βάση φθοροακρυλικό που διαθέτει ένα παρασιτικό δίκτυο αλατοφοβίας που προάγει με επιτυχία μια δομή διαλυτοποίησης πλούσια σε ανιόντα, επιτρέποντας τόσο εκτεταμένη διάρκεια ζωής όσο και βελτιωμένη θερμική σταθερότητα σε μια μπαταρία λιθίου χωρίς ανόδους.
Επιπλέον, καταστέλλει τις παρασιτικές αντιδράσεις που καταναλώνουν ενεργό λίθιο σε στοιχεία χωρίς ανόδους, βοηθώντας στην αντιμετώπιση μακροπρόθεσμων προβλημάτων που σχετίζονται με αυτόν τον σχεδιασμό.
Βελτιώσεις στις μπαταρίες
Στο εργαστήριο, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο νέος ηλεκτρολύτης γέλης διατήρησε πάνω από το 80% της χωρητικότητάς του σε συνθήκες σχεδόν πραγματικού κόσμου. Αλλά αυτό δεν είναι όλο. Ο ηλεκτρολύτης βελτίωσε επίσης τη θερμική σταθερότητα της μπαταρίας.
Όταν οι ερευνητές πραγματοποίησαν δοκιμές κακοποίησης, τα πολυστρωματικά στοιχεία θύλακα που περιείχαν ηλεκτρολύτη γέλης άντεξαν εκτεταμένη διάτρηση χωρίς καμία θερμική διαφυγή. Αντίθετα, οι μπαταρίες με συμβατικούς υγρούς ηλεκτρολύτες αναφλέγονταν ή εκρήγνυνταν κατά τη διάρκεια των δοκιμών.
«Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η χημεία των πολυμερών μπορεί να αποτελέσει έναν ισχυρό και ανεξερεύνητο μοχλό για τον έλεγχο της δομής διαλυτοποίησης και της σταθερότητας της διεπιφάνειας», δήλωσε ο Shengyu Cong, μεταδιδακτορικός ερευνητής που συμμετείχε στην εργασία.
Βελτίωση της απόδοσης
Η έρευνα καταδεικνύει επίσης ότι οι βελτιώσεις στην απόδοση των μπαταριών μπορούν να επιτευχθούν με τη μηχανική νανοκλίμακας σε περιβάλλοντα και όχι με την ανάπτυξη νέων συνθέσεων ηλεκτρολυτών.
«Ενσωματώνοντας την ασφάλεια και την ανθεκτικότητα απευθείας στην αρχιτεκτονική των ηλεκτρολυτών, μπορούμε να ωθήσουμε τις μπαταρίες χωρίς ανόδους πιο κοντά στην πραγματική ανάπτυξη», πρόσθεσε ο Yang στο δελτίο τύπου.
Οι ερευνητές είναι επίσης βέβαιοι ότι η προσέγγισή τους θα μπορούσε να επεκταθεί σε τεχνολογίες μπαταριών πέρα από τις ιόντων λιθίου. Αυτό θα μπορούσε να ανοίξει την πόρτα σε λύσεις αποθήκευσης υψηλότερης πυκνότητας, φθηνότερες και ασφαλέστερες.
www.worldenergynews.gr
