Σχετικά Άρθρα
Το νέο πρότυπο για τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης αποκαλύπτει υπερτιμημένες προσδοκίες
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης (solid-state) θεωρούνται εδώ και χρόνια το «Άγιο Δισκοπότηρο» της αποθήκευσης ενέργειας. Υπόσχονται smartphones που θα λειτουργούν για ημέρες χωρίς φόρτιση, ηλεκτρικά αυτοκίνητα με αυτονομία που μπορεί να φτάνει έως και τρεις φορές μεγαλύτερη από τη σημερινή, αλλά και σημαντικά υψηλότερα επίπεδα ασφάλειας. Ωστόσο, ένα επίμονο πρόβλημα κρατούσε μέχρι σήμερα αυτή την τεχνολογία μακριά από τη μαζική παραγωγή.
Τώρα, μια ομάδα επιστημόνων από το Ινστιτούτο Max Planck για Βιώσιμα Υλικά φαίνεται πως κατάφερε να λύσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια των solid-state μπαταριών, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα εποχή στην ηλεκτροκίνηση και τις φορητές ηλεκτρονικές συσκευές.
Σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι solid-state μπαταρίες χρησιμοποιούν έναν στερεό ηλεκτρολύτη αντί για υγρό.
Αυτό τις κάνει θεωρητικά πιο ασφαλείς, πιο ανθεκτικές και ικανές να αποθηκεύουν πολύ περισσότερη ενέργεια.
Το μεγάλο τους μειονέκτημα, όμως, ήταν η δημιουργία των λεγόμενων δενδριτών λιθίου (lithium dendrites).
Πρόκειται για μικροσκοπικές δομές που μοιάζουν με κλαδιά δέντρων και σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της φόρτισης.
Με την πάροδο του χρόνου, οι δενδρίτες μπορούν να διαπεράσουν τον στερεό ηλεκτρολύτη, προκαλώντας εσωτερικό βραχυκύκλωμα και τελικά την καταστροφή της μπαταρίας.
Το μυστήριο που απασχολούσε τους επιστήμονες
Για χρόνια, οι ερευνητές προσπαθούσαν να εξηγήσουν πώς ένα τόσο μαλακό υλικό όπως το λίθιο μπορεί να «σπάσει» έναν εξαιρετικά σκληρό κεραμικό ηλεκτρολύτη.
Υπήρχαν δύο βασικές θεωρίες:
- ότι οι δενδρίτες αναπτύσσουν τεράστια εσωτερική πίεση που τελικά προκαλεί ρωγμές στο κεραμικό υλικό,
- ή ότι ηλεκτρόνια διαρρέουν μέσα από τα όρια των κόκκων του ηλεκτρολύτη, δημιουργώντας νέους πυρήνες λιθίου που ενώνονται μεταξύ τους.
Για να ανακαλύψουν τι πραγματικά συμβαίνει, οι ερευνητές πραγματοποίησαν εξαιρετικά απαιτητικά πειράματα σε συνθήκες κενού και πολύ χαμηλών θερμοκρασιών, ώστε να αποκλείσουν οποιαδήποτε επίδραση από το οξυγόνο, την υγρασία ή ακόμη και τις δέσμες ηλεκτρονίων των μικροσκοπίων.
Η ανακάλυψη που αλλάζει τα δεδομένα
Τα αποτελέσματα ήταν αποκαλυπτικά.
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι δεν υπήρχε συσσώρευση λιθίου μπροστά από την άκρη των δενδριτών, γεγονός που απέκλεισε μία από τις κυρίαρχες θεωρίες.
Αντίθετα, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι δενδρίτες λειτουργούν σαν ένας εξαιρετικά ισχυρός πίδακας νερού, ο οποίος μπορεί σταδιακά να διαπεράσει ακόμη και έναν συμπαγή βράχο.
Η υδροστατική πίεση που αναπτύσσεται μέσα στον δενδρίτη δημιουργεί τελικά εύθραυστες ρωγμές στον κεραμικό ηλεκτρολύτη, οδηγώντας σε βραχυκύκλωμα και αστοχία της μπαταρίας.
Τα ευρήματα επιβεβαιώθηκαν τόσο με προηγμένες προσομοιώσεις όσο και με ειδικές τεχνικές ανάλυσης της μικροδομής των υλικών.
Το επόμενο βήμα για τις μπαταρίες του μέλλοντος
Έχοντας πλέον κατανοήσει τον ακριβή μηχανισμό της καταστροφής, οι ερευνητές στρέφονται στην ανάπτυξη λύσεων που θα αποτρέπουν τη δημιουργία των επικίνδυνων ρωγμών.
Μεταξύ των προτάσεων που εξετάζονται είναι:
- η κατασκευή ακόμη πιο ανθεκτικών στερεών ηλεκτρολυτών,
- η δημιουργία μικροσκοπικών κενών μέσα στο υλικό ώστε να εκτρέπεται η πορεία των δενδριτών,
- η εφαρμογή ειδικών προστατευτικών επιστρώσεων στις επιφάνειες λιθίου που θα περιορίζουν τον σχηματισμό τους από την αρχή.
Μια εξέλιξη που μπορεί να αλλάξει την αγορά
Η συγκεκριμένη ανακάλυψη θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα βήματα των τελευταίων ετών στον τομέα των solid-state μπαταριών.
Αν οι νέες τεχνικές αποδειχθούν αποτελεσματικές στην πράξη, δεν αποκλείεται μέσα στα επόμενα χρόνια να δούμε κινητά τηλέφωνα που θα χρειάζονται φόρτιση μόνο κάθε λίγες ημέρες, ηλεκτρικά αυτοκίνητα με πολύ μεγαλύτερη αυτονομία και μπαταρίες που θα είναι ταυτόχρονα πιο ασφαλείς, πιο ανθεκτικές και με αισθητά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
Η έρευνα δείχνει ότι η λύση στο μεγαλύτερο εμπόδιο των solid-state μπαταριών ίσως βρίσκεται πλέον πιο κοντά από ποτέ, φέρνοντας μια τεχνολογική επανάσταση που μέχρι πρόσφατα έμοιαζε ακόμη μακρινή.
www.worldenergynews.gr
