Ερευνητές στην Κίνα ανακοίνωσαν έναν ριζικά νέο σχεδιασμό μπαταρίας μεταλλικού νατρίου (SMB), η οποία μπορεί να φορτίσει πλήρως μέσα σε μόλις τέσσερα λεπτά και να διατηρεί τη χωρητικότητά της για χρόνια χρήσης.
Οι SMB αποτελούν μια μορφή εξαιρετικά ταχείας φόρτισης και σταθερών μπαταριών, οι οποίες, σύμφωνα με τους επιστήμονες, θα μπορούσαν μια ημέρα να αποτελέσουν μια οικονομική εναλλακτική λύση στις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion), οι οποίες βασίζονται σε γεωγραφικά συγκεντρωμένα μέταλλα και είναι επιρρεπείς σε ανάφλεξη.
Οι μπαταρίες SMB διαφέρουν επίσης από τις μπαταρίες ιόντων νατρίου (Na-ion), καθώς χρησιμοποιούν άνοδο από μεταλλικό νάτριο αντί για άνοδο από γραφίτη ή σκληρό άνθρακα.
Ωστόσο, οι μπαταρίες SMB παραμένουν σε μεγάλο βαθμό θεωρητικές, επειδή είναι επιρρεπείς σε έναν τύπο υποβάθμισης γνωστό ως σχηματισμός δενδριτών.
Πρόκειται για το φαινόμενο κατά το οποίο τα ιόντα νατρίου που διέρχονται μέσω του ηλεκτροδίου εναποτίθενται πάνω στην ιδιαίτερα δραστική άνοδο από καθαρό μεταλλικό νάτριο, σχηματίζοντας αιχμηρές δομές που μοιάζουν με σταλαγμίτες.
Με την πάροδο του χρόνου, αυτές δημιουργούν μια γέφυρα μεταξύ της καθόδου και της ανόδου, προκαλώντας βραχυκύκλωμα στην μπαταρία.
Ο σχηματισμός δενδριτών είναι ιδιαίτερα συχνός στις μπαταρίες νατρίου, επειδή το νάτριο είναι ιδιαίτερα δραστικό μέταλλο.
Όταν ηλεκτρικό φορτίο διέρχεται από μια μπαταρία Li-ion, Na-ion ή SMB, η άνοδος αντιδρά πάντοτε με τον ηλεκτρολύτη, σχηματίζοντας ένα στρώμα οξειδίου γνωστό ως SEI.
Το στρώμα αυτό έχει συνήθως πάχος 10 έως 50 νανόμετρα - περίπου όσο το πλάτος ενός μικρού ιού - και γενικά είναι ακίνδυνο.
Στην περίπτωση του νατρίου, όμως, το SEI συχνά ρηγματώνεται, δημιουργώντας εξογκώματα που προσελκύουν ιόντα νατρίου, τα οποία συσσωρεύονται σχηματίζοντας δενδρίτες.
Τώρα, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι έλυσαν αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας έναν ανθεκτικό, ημιστερεό ηλεκτρολύτη σε μορφή γέλης - με την ονομασία Sn-FB QSE - ο οποίος ενισχύει την αντοχή της μπαταρίας απέναντι σε διατρήσεις και παρέχει μια ημιστερεή εσωτερική δομή που αποτρέπει τον σχηματισμό δενδριτών.
Παρουσίασαν τα ευρήματά τους σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 21 Μαΐου στο περιοδικό Nano-Micro Letters.
Για να επιβεβαιώσουν τη μακροχρόνια αντοχή αυτής της προσέγγισης, οι επιστήμονες φόρτισαν και εκφόρτισαν την μπαταρία για περισσότερες από 6.000 ώρες χωρίς οι δενδρίτες να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα.
Διαπίστωσαν επίσης ότι όταν φόρτισαν την μπαταρία από το 0% στο 100% μέσα σε μόλις τέσσερα λεπτά, αυτή διατήρησε ηλεκτρική χωρητικότητα 80,1 milliampere-hours ανά γραμμάριο (mAh g⁻¹). Η τιμή αυτή αντιστοιχεί περίπου στο μισό της χωρητικότητας που διατηρούν οι μπαταρίες Li-ion.
Όταν η φόρτιση πραγματοποιήθηκε με ελαφρώς χαμηλότερη ταχύτητα, από το 0% στο 100% σε 20 λεπτά, η μπαταρία διατήρησε το 90% της χωρητικότητάς της έπειτα από 2.000 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, προσεγγίζοντας τα θεωρητικά όρια των μπαταριών Li-ion, σύμφωνα με τους επιστήμονες. Η χαμηλότερη αυτή ταχύτητα φόρτισης μείωσε το κόστος και βελτίωσε την ασφάλεια.
Το αποτέλεσμα αυτό είναι αξιοσημείωτο, καθώς οι επιστήμονες το πέτυχαν ενώ η νέα μπαταρία εξακολουθεί να φορτίζει ταχύτερα από τις μπαταρίες Li-ion.
Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία, καθώς η ταχύτητα φόρτισης εξακολουθεί να αποτελεί βασικό εμπόδιο για την ευρεία χρήση μπαταριών στα ηλεκτρικά οχήματα (EVs).
Το ταχύτερα φορτιζόμενο ηλεκτρικό όχημα σήμερα είναι το BYD Denza, το οποίο, σύμφωνα με την κινεζική αυτοκινητοβιομηχανία, μπορεί να φορτίσει από το 10% στο 70% μέσα σε μόλις πέντε λεπτά. Ωστόσο, αυτό απαιτεί εξειδικευμένους ιδιόκτητους φορτιστές ισχύος 1 MW.
Τα περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα φορτίζουν σημαντικά πιο αργά.
Εκπρόσωποι της Tesla αναφέρουν ότι το Model 3 μπορεί να φορτίσει από το 10% στο 70% σε περίπου 15 λεπτά χρησιμοποιώντας τους ιδιόκτητους ταχυφορτιστές των 250 kW της εταιρείας, ενώ εκπρόσωποι της πλατφόρμας δρομολόγησης ηλεκτρικών οχημάτων Zapmap αναφέρουν ότι το ίδιο όχημα χρειάζεται περίπου 90 λεπτά για να φτάσει στο 80% χρησιμοποιώντας φορτιστή ισχύος 50 kW.
Πράγματι, οι περισσότερες μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σήμερα σε τεχνολογίες όπως τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα και τα ηλεκτρικά οχήματα είναι μπαταρίες Li-ion.
Ωστόσο, οι μπαταρίες αυτές είναι ακριβές στην παραγωγή, επειδή περιέχουν δυσεύρετα μέταλλα όπως το λίθιο και το κοβάλτιο, ενώ είναι επίσης επιρρεπείς σε ανάφλεξη.
Όλο και περισσότεροι κατασκευαστές μπαταριών επιδιώκουν να φέρουν τις μπαταρίες Na-ion σε εμπορική κλίμακα, καθώς είναι φθηνότερες και ασφαλέστερες. Ωστόσο, είναι βαρύτερες και μεγαλύτερες από τις μπαταρίες Li-ion.
Οι μπαταρίες SMB αποτελούν αντικείμενο εντατικής έρευνας, επειδή θεωρητικά συνδυάζουν τα καλύτερα χαρακτηριστικά και των δύο τύπων μπαταριών.
Επειδή χρησιμοποιούν άνοδο από μεταλλικό νάτριο, σε αντίθεση με τις μπαταρίες Na-ion που χρησιμοποιούν άνοδο από γραφίτη ή σκληρό άνθρακα, είναι ελαφρύτερες και φθηνότερες στην παραγωγή και συνεπώς πολύ πιο συγκρίσιμες με τις Li-ion ως προς το μέγεθος και το βάρος.
Είναι επίσης ασφαλέστερες, επειδή λειτουργούν με ιόντα νατρίου, τα οποία είναι μεγαλύτερα σε μέγεθος και δεν μπορούν να κινηθούν αρκετά γρήγορα προς τα σημεία όπου έχει υποστεί βλάβη το περίβλημα της μπαταρίας ώστε να προκαλέσουν θερμική διαφυγή.
Πρόκειται για την αυτοτροφοδοτούμενη αλυσιδωτή αντίδραση που προκαλεί την ανάφλεξη των μπαταριών όταν υποστούν ζημιά.
Εάν τα προβλήματα του σχηματισμού δενδριτών και της σταθερότητας σε χαμηλές θερμοκρασίες μπορέσουν να επιλυθούν, να αναπαραχθούν πειραματικά και να εφαρμοστούν σε μεγάλη κλίμακα, οι μπαταρίες SMB θα μπορούσαν να αλλάξουν τα οικονομικά δεδομένα της ανάπτυξης των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μέσα στην επόμενη δεκαετία, δήλωσαν οι επιστήμονες.
Οι μπαταρίες SMB θα μπορούσαν να αποτελέσουν εξαιρετική επιλογή για ηλεκτρικά οχήματα στις δημόσιες μεταφορές ή στα οχήματα καθημερινών μετακινήσεων, πιστεύουν οι επιστήμονες, επειδή, αν και προσφέρουν μικρότερη αυτονομία από τα οχήματα με μπαταρίες Na-ion και Li-ion, φορτίζουν ταχύτερα.
Ωστόσο, δεν αναμένεται να είναι διαθέσιμες σύντομα, ούτε σε οχήματα ούτε σε μικρότερες συσκευές όπως τα ηλεκτρονικά καταναλωτικά προϊόντα.
Αυτό συμβαίνει επειδή συσκευές όπως τα έξυπνα κινητά τηλέφωνα εκτίθενται σε έντονες μεταβολές θερμοκρασίας, οι οποίες επηρεάζουν την εσωτερική χημεία των μπαταριών που βασίζονται σε ηλεκτρολύτες γέλης.
Η έρευνα θα πρέπει πρώτα να επαναληφθεί και να επιβεβαιωθεί προτού οι κατασκευαστές αισθανθούν αρκετή εμπιστοσύνη ώστε να χρησιμοποιήσουν καθαρό μεταλλικό νάτριο στη θέση των καθιερωμένων διατάξεων με γραφίτη.
www.worldenergynews.gr
