Ένα έξυπνο χημικό τέχνασμα επέτρεψε σε επιστήμονες να αντιμετωπίσουν μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για τις μπαταρίες του μέλλοντος. Το επίτευγμά τους ανοίγει τον δρόμο για ηλεκτρικά αυτοκίνητα που θα μπορούν να διανύουν έως και 800 χιλιόμετρα με μία φόρτιση διάρκειας μόλις 12 λεπτών.
Οι ερευνητές πειραματίζονται εδώ και χρόνια με τις λεγόμενες μπαταρίες μετάλλου λιθίου, οι οποίες διαφέρουν από τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Στην άνοδο, αντί για γραφίτης χρησιμοποιείται καθαρό λίθιο, γεγονός που προσφέρει πολύ μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα – δηλαδή περισσότερη ενέργεια σε μικρότερο βάρος. Για τους οδηγούς ηλεκτρικών αυτοκινήτων, αυτό μεταφράζεται σε μεγαλύτερη αυτονομία και ταχύτερη φόρτιση, αναφέρει το LiveScience.
Ωστόσο, οι προσπάθειες κατασκευής αποτελεσματικών μπαταριών μετάλλου λιθίου σκοντάφτουν σε ένα σοβαρό πρόβλημα: τους λεγόμενους «δενδρίτες». Πρόκειται για κρυσταλλικές δομές που αναπτύσσονται στην άνοδο κατά τη διάρκεια της φόρτισης, μειώνοντας την απόδοση της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου. Το φαινόμενο επιδεινώνεται στη γρήγορη φόρτιση και αυξάνει τον κίνδυνο βραχυκυκλώματος της μπαταρίας.
Νέος τύπος ηλεκτρολύτη
Όμως σε μια νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Energy, οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να αναστείλουν την ανάπτυξη των δενδριτών. Το μυστικό βρίσκεται σε έναν νέο τύπο υγρού ηλεκτρολύτη. Ο «αντι-συνεκτικός» αυτός ηλεκτρολύτης εμποδίζει τον σχηματισμό των δενδριτών, βελτιώνοντας τις δυνατότητες ταχείας φόρτισης και επεκτείνοντας τη διάρκεια ζωής των μπαταριών σε περισσότερα από 300.000 χιλιόμετρα.
Τόσο οι μπαταρίες ιόντων λιθίου όσο και οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου περιέχουν έναν υγρό ηλεκτρολύτη, ο οποίος μεταφέρει τα ιόντα λιθίου ανάμεσα στην κάθοδο και την άνοδο. Η διαφορά μεταξύ των δύο μπαταριών, όπως προαναφέρθηκε, είναι ότι στη δεύτερη περίπτωση ο γραφίτης αντικαθίσταται από καθαρό λίθιο.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι δενδρίτες δημιουργούνται λόγω «ανομοιόμορφης συνεκτικότητας» στην επιφάνεια του λιθίου. Με απλά λόγια, τα ιόντα λιθίου δεν κατανέμονται ομοιόμορφα στην άνοδο κατά τη φόρτιση, αφήνοντας αδύναμα σημεία όπου αρχίζει η κρυσταλλική ανάπτυξη. Ο νέος ηλεκτρολύτης έχει χημική δομή που διασφαλίζει πιο ομοιόμορφη απόθεση των ιόντων, σταματώντας έτσι τη διαδικασία σχηματισμού δενδριτών.
Τι έδειξαν οι δοκιμές
Σε εργαστηριακές δοκιμές, η μπαταρία φορτίστηκε από 5% σε 70% σε 12 λεπτά και διατήρησε αυτή την ταχύτητα για 350 κύκλους φόρτισης. Μια έκδοση υψηλότερης χωρητικότητας έφτασε στο 80% της φόρτισης σε 17 λεπτά και παρέμεινε σταθερή για 180 κύκλους φόρτισης, ανέφεραν οι επιστήμονες.
«Η έρευνα αυτή αποτελεί θεμέλιο για την υπέρβαση των τεχνικών προκλήσεων των μπαταριών μετάλλου λιθίου μέσω της κατανόησης της διεπιφανειακής δομής», δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Hee Tak Kim, καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής στο Κορεατικό Ινστιτούτο Προηγμένης Επιστήμης και Τεχνολογίας (KAIST). «Έχουμε ξεπεράσει το μεγαλύτερο εμπόδιο για την εφαρμογή τους στα ηλεκτρικά οχήματα».
