Οι ερευνητές χρησιμοποιούν κράμα μαγνησίου-κασσιτέρου για να επεκτείνουν τη διάρκεια κύκλων ζωής μπαταριών στερεάς κατάστασης κατά 400 φορές (Interesting Engineering)
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μαγνησίου θα μπορούσαν να γίνουν σημαντικά πιο ανθεκτικές χάρη σε έναν νέο σχεδιασμό κράματος που ανέπτυξαν ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Tohoku.
Η ομάδα διαπίστωσε έναν τρόπο να μετατρέψει χημικές αντιδράσεις που κανονικά υποβαθμίζουν την απόδοση της μπαταρίας σε έναν μηχανισμό που βελτιώνει τη σταθερότητα και τη μεταφορά ιόντων.
Η εξέλιξη αντιμετωπίζει μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μαγνησίου
Ενώ αυτές οι μπαταρίες θεωρούνται πολλά υποσχόμενη εναλλακτική της τεχνολογίας ιόντων λιθίου λόγω της πιθανής ασφάλειας και του χαμηλότερου κόστους υλικών, ανεπιθύμητες αντιδράσεις στη διεπιφάνεια μεταξύ των στοιχείων της μπαταρίας συχνά μειώνουν την απόδοση και συντομεύουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι αυτές οι διεπιφανειακές αντιδράσεις δεν χρειάζεται απαραίτητα να εξαλειφθούν. Αντίθετα, η προσεκτική ρύθμισή τους μπορεί να βελτιώσει τον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα ιόντα μαγνησίου μέσα στην μπαταρία, διατηρώντας παράλληλα τη μακροχρόνια σταθερότητα.
Η ομάδα ανέπτυξε μια άνοδο από κράμα μαγνησίου-κασσίτερου (Mg-Sn) σχεδιασμένη να ισορροπεί τη χημική αντιδραστικότητα και τη μεταφορά ιόντων. Με την τροποποίηση τόσο της επιφάνειας όσο και της εσωτερικής δομής της ανόδου, οι ερευνητές δημιούργησαν συνθήκες που υποστηρίζουν πιο ομοιόμορφη απόθεση μαγνησίου και πιο ομαλή κίνηση ιόντων κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση.
Μετατρέποντας τα ελαττώματα σε παράγοντες βελτίωσης της απόδοσης
«Για πολύ καιρό, οι διεπιφανειακές αντιδράσεις θεωρούνταν κάτι που πρέπει να αποφεύγεται», είπε ο Hao Li, διακεκριμένος καθηγητής στο Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) του Πανεπιστημίου Tohoku.
«Αλλά τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι όταν αυτές οι αντιδράσεις καθοδηγούνται προσεκτικά αντί να καταστέλλονται, μπορούν να βοηθήσουν τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης μαγνησίου να αποδίδουν πολύ πιο αποτελεσματικά» συμπλήρωσε.
Για να κατασκευάσουν την βελτιωμένη άνοδο, οι ερευνητές εισήγαγαν κασσίτερο στο μαγνήσιο. Ο συνδυασμός σχηματίζει μια σταθερή ένωση γνωστή ως Mg2Sn (μαγνησιοκασσιτερίδιο), η οποία βοηθά στη ρύθμιση των αντιδράσεων που συμβαίνουν μέσα στην μπαταρία.
Η ομάδα δοκίμασε αρκετά κράματα με βάση το μαγνήσιο που περιείχαν διαφορετικές δευτερεύουσες φάσεις, για να καθορίσει ποια σύνθεση προσέφερε την καλύτερη ηλεκτροχημική απόδοση. Αξιολόγησαν τα υλικά υπό συνθήκες λειτουργίας μπαταρίας, μετρώντας παράγοντες όπως η μεταφορά ιόντων, η σταθερότητα διεπιφάνειας και η συμπεριφορά κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης.
Μεταξύ όλων των υλικών που δοκιμάστηκαν, το βελτιστοποιημένο κράμα Mg-Sn παρείχε την ισχυρότερη συνολική απόδοση. Σύμφωνα με τους ερευνητές, το κράμα διατήρησε σταθερή λειτουργία για περισσότερες από 1.300 ώρες κατά τη δοκιμή μπαταρίας στερεάς κατάστασης.
Το υλικό επίσης έδειξε περισσότερες από 400 φορές μεγαλύτερη διάρκεια κύκλων σε σύγκριση με καθαρό μαγνήσιο, αποτέλεσμα που υποδηλώνει σημαντικά κέρδη στη μακροζωία της μπαταρίας.
Ανακάλυψη σταθερών κύκλων
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης αντικαθιστούν τους εύφλεκτους υγρούς ηλεκτρολύτες με στερεά υλικά, μειώνοντας τον κίνδυνο πυρκαγιάς και δυνητικά αυξάνοντας την ενεργειακή πυκνότητα.
Ωστόσο, οι διεπιφάνειες στερεού-στερεού μέσα σε αυτές τις μπαταρίες συχνά δημιουργούν αντίσταση, αστάθεια και μηχανική υποβάθμιση που περιορίζουν την απόδοση.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι η μελλοντική ανάπτυξη μπαταριών θα πρέπει να εστιάσει όχι μόνο στη βελτίωση της ιοντικής αγωγιμότητας αλλά και στον έλεγχο των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε αυτές τις διεπιφάνειες.
Τα ευρήματά τους δείχνουν ότι η ταυτόχρονη εξισορρόπηση αντιδραστικότητας και μεταφοράς ιόντων θα μπορούσε να προσφέρει μια νέα στρατηγική σχεδιασμού για συστήματα μπαταριών στερεάς κατάστασης.
Η προσέγγιση μπορεί να έχει επιπτώσεις πέρα από τις μπαταρίες μαγνησίου. Παρόμοιες τεχνικές μηχανικής θα μπορούσαν δυνητικά να εφαρμοστούν και σε άλλες επόμενης γενιάς χημείες μπαταριών, όπου η σταθερότητα διεπιφάνειας παραμένει κρίσιμη πρόκληση.
Καθώς αυξάνεται η ζήτηση για ασφαλέστερα και μεγαλύτερης διάρκειας συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, η εργασία προσφέρει έναν νέο τρόπο σκέψης για τον σχεδιασμό μπαταριών.
Αντί να αντιμετωπίζονται οι διεπιφανειακές αντιδράσεις αποκλειστικά ως πρόβλημα, οι ερευνητές μπορεί να είναι σε θέση να τις αξιοποιήσουν για να βελτιώσουν την απόδοση και να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής των μπαταριών.
(Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο ACS Energy Letters)
www.worldenergynews.gr
