Οι ερευνητές του Χάρβαρντ σχεδιάζουν μία μπαταρία λιθίου μακράς διάρκειας, σταθερή, στερεάς κατάστασης για να διορθώσουν το πρόβλημα 40 ετών
Οι μπαταρίες μεγάλης διάρκειας και ταχείας φόρτισης είναι απαραίτητες για την επέκταση της αγοράς ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου υπολείπονται των αναγκών. Είναι πολύ βαριές, πολύ ακριβές και χρειάζονται πολύ χρόνο για να φορτιστούν.
Εδώ και δεκαετίες, οι ερευνητές προσπαθούν να αξιοποιήσουν τις δυνατότητες των μπαταριών στερεάς κατάστασης, λιθίου-μετάλλου, οι οποίες συγκρατούν σημαντικά περισσότερη ενέργεια στον ίδιο όγκο και φορτίζουν σε κλάσμα του χρόνου σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
«Μια μπαταρία λιθίου-μετάλλου θεωρείται το ιερό δισκοπότηρο για τη χημεία των μπαταριών λόγω της υψηλής χωρητικότητας και της ενεργειακής πυκνότητας», δήλωσε ο Xin Li, αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης υλικών στη Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών (SEAS) John A. Paulson του Χάρβαρντ. Και προσέθεσε: «Αλλά η σταθερότητα αυτών των μπαταριών ήταν πάντα φτωχή».
Τώρα, ο Li και η ομάδα του έχουν σχεδιάσει μια σταθερή, μεταλλική, στερεάς κατάστασης μπαταρία λιθίου που μπορεί να φορτιστεί και να εκφορτιστεί τουλάχιστον 10.000 φορές, δηλαδή να κάνει πολύ περισσότερους κύκλους από όσους κάνει μία σημερινή μπαταρία, με υψηλή πυκνότητα ρεύματος.
Οι ερευνητές συνδύασαν τον νέο σχεδιασμό με ένα εμπορικό υλικό καθόδου υψηλής ενεργειακής πυκνότητας.
Αυτή η τεχνολογία μπαταρίας θα μπορούσε να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων στο επίπεδο αυτής των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων, ήταν από 10 έως 15 χρόνια, δίχως την ανάγκη αντικατάστασης της μπαταρίας.
Με την υψηλή πυκνότητα ρεύματος, η μπαταρία θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για ηλεκτρικά οχήματα που θα μπορούν να φορτίζουν πλήρως μέσα σε 10 έως 20 λεπτά!
«Η έρευνά μας δείχνει ότι η μπαταρία στερεάς κατάστασης θα μπορούσε να είναι θεμελιωδώς διαφορετική από την εμπορική μπαταρία ιόντων λιθίου με υγρό ηλεκτρολύτη», δήλωσε ο Li. «Μελετώντας τη θεμελιώδη θερμοδυναμική τους, μπορούμε να ξεκλειδώσουμε ανώτερες επιδόσεις και να αξιοποιήσουμε τις άφθονες δυνατότητές τους» προσέθεσε.
Η μεγάλη πρόκληση με τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλου ήταν πάντα η χημεία. Οι μπαταρίες λιθίου μετακινούν ιόντα λιθίου από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη διάρκεια της φόρτισης.
Όταν η άνοδος είναι κατασκευασμένη από μέταλλο λιθίου, στην επιφάνειά της σχηματίζονται δομές που μοιάζουν με βελόνες και ονομάζονται δενδρίτες.
Αυτές οι δομές αναπτύσσονται σαν ρίζες μέσα στον ηλεκτρολύτη και διαπερνούν το φράγμα που χωρίζει την άνοδο και την κάθοδο, προκαλώντας βραχυκύκλωμα ή ακόμη και πυρκαγιά στη μπαταρία.
Για να ξεπεράσουν αυτή την πρόκληση, ο Li και η ομάδα του σχεδίασαν μια πολυστρωματική μπαταρία που τοποθετεί διαφορετικά υλικά διαφορετικής σταθερότητας μεταξύ της ανόδου και της καθόδου.
Αυτή η πολυστρωματική μπαταρία πολλαπλών υλικών αποτρέπει τη διείσδυση των δενδριτών λιθίου όχι σταματώντας τους εντελώς, αλλά μάλλον ελέγχοντας και περιορίζοντάς τους.