Το σημείο-κλειδί στην έρευνα για την ηλεκτροκίνηση, και ο τομέας που θα καθορίσει τις μελλοντικές εξελίξεις, είναι χωρίς αμφιβολία οι μπαταρίες. Οι μπαταρίες μεγάλης διάρκειας και γρήγορης 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 εκμεταλλευτούν το δυναμικό των μπαταριών λιθίου-μετάλλων στερεάς κατάστασης, οι οποίες ουσιαστικά μπορούν να αποθηκεύσουν περισσότερη ενέργεια στον ίδιο όγκο και φορτίζονται σε ένα κλάσμα του χρόνου που απαιτείται για τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων-λιθίου. Σύμφωνα με τις τελευταίες ανακοινώσεις από το διάσημο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ ίσως τα έχουν καταφέρει.
Τα πλεονεκτήματα της μπαταρίας ιόντων-μετάλλου
Στην έρευνά τους, που δημοσιεύεται στο Nature, oι επιστήμονες του Χάρβαρντ έχουν σχεδιάσει μια σταθερή μπαταρία λιθίου-μετάλλου στερεάς κατάστασης που μπορεί να φορτιστεί και να αποφορτιστεί τουλάχιστον 10.000 φορές (πολύ περισσότεροι κύκλοι από ό,τι είχε προηγουμένως επιτευχθεί) σε υψηλή τάση ρεύματος. Οι ερευνητές μάλιστα χρησιμοποίησαν ένα υλικό καθόδου υψηλής πυκνότητας ρεύματος που είναι διαθέσιμο στο εμπόριο.
Αυτή η τεχνολογία μπαταριών θα μπορούσε να αυξήσει τη διάρκεια ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων και να την εξισώσει με εκείνη των βενζινοκίνητων αυτοκινήτων (10 έως 15 χρόνια) χωρίς την ανάγκη αντικατάστασης της μπαταρίας. Με την υψηλή πυκνότητα ρεύματος, η μπαταρία θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για ηλεκτρικά οχήματα που μπορούν να φορτιστούν πλήρως εντός 10 έως 20 λεπτών.
Η μεγάλη πρόκληση με τις μπαταρίες λιθίου-μετάλλων ήταν πάντα η χημεία. Οι μπαταρίες λιθίου μετακινούν ιόντα λιθίου από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη φόρτιση. Όταν η άνοδος κατασκευάζεται από μέταλλο λιθίου, σχηματίζονται στην επιφάνεια δομές που μοιάζουν με βελόνες και ονομάζονται δενδρίτες. Αυτές οι δομές αναπτύσσονται σαν ρίζες στον ηλεκτρολύτη και διαπερνούν το φράγμα που διαχωρίζει την άνοδο από την κάθοδο, προκαλώντας βραχυκύκλωμα ή ακόμη και ανάφλεξη της μπαταρίας.
Η τεχνολογία πολλαπλών στρωμάτων
Για να ξεπεράσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές σχεδίασαν μια μπαταρία πολλαπλών στρωμάτων τύπου σάντουιτς με διαφορετικά υλικά διαφορετικής σταθερότητας μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Αυτή η πολυστρωματική μπαταρία πολλαπλών υλικών αποτρέπει τη διείσδυση των δενδριτών όχι σταματώντας τους εντελώς αλλά περισσότερο ελέγχοντας και περιορίζοντάς τους.
Σκεφτείτε την μπαταρία σαν ένα σάντουιτς. Πρώτα έρχεται το ψωμί - η μεταλλική άνοδος λιθίου - ακολουθούμενο από μαρούλι - μια επίστρωση γραφίτη. Στη συνέχεια, ένα στρώμα ντομάτας - ο πρώτος ηλεκτρολύτης - και έπειτα ένα στρώμα μπέικον - ο δεύτερος ηλεκτρολύτης. Ακολουθεί άλλο ένα στρώμα ντομάτας και το τελευταίο κομμάτι ψωμί - η κάθοδος.
Ο πρώτος ηλεκτρολύτης είναι πιο σταθερός με αλλά είναι επιρρεπής σε διείσδυση από δενδρίτες. Ο δεύτερος ηλεκτρολύτης είναι λιγότερο σταθερός αλλά απρόσβλητος από τους δενδρίτες. Σε αυτό το σχέδιο, οι δενδρίτες αφήνονται να αναπτυχθούν μέσω του γραφίτη και του πρώτου ηλεκτρολύτη, αλλά σταματούν όταν φτάσουν στο δεύτερο ηλεκτρολύτη. Με άλλα λόγια, για να επιστρέψουμε στο παράδειγμα με το σάντουιτς, οι δενδρίτες αναπτύσσονται μέσω του μαρουλιού και της ντομάτας αλλά σταματούν στο μπέικον. Το μπέϊκον εμποδίζει τους δενδρίτες να το διαπεράσουν και να βραχυκυκλώνουν την μπαταρία.
Ο Ξιν Λι, αναπληρωτής καθηγητής επιστήμης υλικών στο Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science (SEAS), είπε: «Η μπαταρία λιθίου-μετάλλου θεωρείται το ιερό δισκοπότηρο για τη χημεία των μπαταριών λόγω της υψηλής χωρητικότητας και της ενεργειακής της πυκνότητας. Αλλά η σταθερότητα αυτών των μπαταριών ήταν πάντα κακή. Η έρευνά μας αποδεικνύει ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μετάλλων λιθίου θα μπορούσαν να είναι ανταγωνιστικές με τις εμπορικές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η ευελιξία του σχεδιασμού πολλαπλών στρωμάτων την καθιστά δυνητικά συμβατή με διαδικασίες μαζικής παραγωγής στη βιομηχανία μπαταριών. Το να τη φέρουμε στο σημείο της εμπορικής χρήσης δεν θα είναι εύκολο και εξακολουθούν να υπάρχουν πρακτικά προβλήματα, αλλά πιστεύουμε ότι θα ξεπεραστούν».
