Επιστήμονες στην Κίνα έχουν αναπτύξει μια νέα, εντυπωσιακή τεχνολογία μπαταριών που θα μπορούσε να αυξήσει δραματικά την αυτονομία των ηλεκτρικών οχημάτων και να τα κάνει πιο αξιόπιστα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Οι μπαταρίες λιθίου, ζωτικής σημασίας για συσκευές όπως smartphones και ηλεκτρικά αυτοκίνητα, έχουν φτάσει κοντά στο όριο της ενεργειακής τους πυκνότητας, περιορίζοντας τις δυνατότητες βελτίωσης της απόδοσής τους.
Οι πιο διαδεδομένοι τύποι μπαταριών υγρής μορφής, όπως οι λιθίου-φωσφορικού σιδήρου και οι τριπλής λιθίου, πλησιάζουν τα θεωρητικά τους όρια, γύρω στα 350 Wh/kg. Αυτό έχει ωθήσει πολλές εταιρείες να επικεντρωθούν στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης επόμενης γενιάς. Ωστόσο, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Nankai και το Ινστιτούτο Διαστημικών Πηγών Ενέργειας της Σαγκάης, όπως αναφέρεται σε δημοσίευση στο Nature, φαίνεται να έχουν ξεπεράσει τα υπάρχοντα όρια. Αναπτύσσοντας έναν νέο ηλεκτρολύτη, κατάφεραν να αυξήσουν την ενεργειακή πυκνότητα των υγρών μπαταριών λιθίου στα 700 Wh/kg σε εργαστηριακές δοκιμές.
“Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να διπλασιάσει τη χωρητικότητα των υπαρχουσών μπαταριών λιθίου, χωρίς αύξηση του μεγέθους ή του βάρους τους”, αναφέρει το κρατικό πρακτορείο CCTV. “Οι μπαταρίες μας έχουν διπλάσια ενεργειακή πυκνότητα από τις συνηθισμένες. Τα ηλεκτρικά οχήματα με αυτονομία 500 χλμ, θα μπορούσαν να διανύσουν πάνω από 1.000 χλμ με μία μόνο φόρτιση, χρησιμοποιώντας τις δικές μας μπαταρίες”, δήλωσε ο επικεφαλής ερευνητής Chen Jun από το Πανεπιστήμιο Nankai.
Η έρευνα επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός νέου ηλεκτρολύτη, ο οποίος λειτουργεί ως “αυτοκινητόδρομος” για τα ιόντα που ταξιδεύουν μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων. Οι σημερινές εμπορικές μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτες από άλατα λιθίου και διαλύτες ανθρακικού οξέος. Αυτό το μείγμα προκαλεί μια χημική αντίδραση που βοηθά στη διάλυση των αλάτων λιθίου, επιτρέποντας στα ιόντα λιθίου να κινηθούν μέσω του ηλεκτρολύτη – μια διαδικασία που επιτρέπει στην μπαταρία να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία επιβραδύνει την κίνηση των ιόντων λιθίου, περιορίζοντας τη δυνατότητα αύξησης της ενεργειακής πυκνότητας και επηρεάζοντας αρνητικά την απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Η ομάδα αντιμετώπισε αυτό το πρόβλημα αντικαθιστώντας το οξυγόνο με φθόριο, ένα γειτονικό στοιχείο στον περιοδικό πίνακα που έλκει τα ιόντα λιθίου λιγότερο έντονα. Αυτό διευκολύνει την ταχύτερη μεταφορά φορτίων. “Ένας ηλεκτρολύτης πρέπει να απελευθερώνει ιόντα γρήγορα και να επιτρέπει γρήγορη μεταφορά φορτίου – αλλά αυτά τα δύο συνήθως συγκρούονται. Η ασθενέστερη έλξη του φθορίου προς το λίθιο βοηθά στην επίλυση αυτού του προβλήματος, ενισχύοντας την πυκνότητα ισχύος της μπαταρίας”, εξήγησε ο καθηγητής Zhao Qing του Πανεπιστημίου Nankai. “Επιλύσαμε βασικά ζητήματα, όπως τη διάλυση αλάτων λιθίου από ενώσεις φθορίου. Δημιουργήσαμε νέα φθοριωμένα μόρια και ρυθμίσαμε τη δομή τους για να μειώσουμε την ποσότητα του ηλεκτρολύτη που απαιτείται, ενώ επιτρέπουμε γρήγορη κίνηση ιόντων.”
Αν και η μελέτη δεν εστιάζει ειδικά στα χαρακτηριστικά ασφαλείας της νέας μπαταρίας, ο ηλεκτρολύτης μπορεί να συμβάλει στην καταστολή της ανάπτυξης δενδριτών – μικροσκοπικών ακίδων που μπορούν να προκαλέσουν βραχυκυκλώματα – στα ηλεκτρόδια. Αυτή η ασθενής αλληλεπίδραση μεταξύ ιόντων φθορίου και λιθίου βοηθά επίσης την μπαταρία να φορτίζει και να αποδίδει ενέργεια γρήγορα, κάτι που όχι μόνο αυξάνει την ενεργειακή πυκνότητα, αλλά βελτιώνει και την απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες. “Ενώ οι συμβατικές μπαταρίες λιθίου μπορούν να χάσουν έως και τα δύο τρίτα της χωρητικότητάς τους σε θερμοκρασίες παγετού, η δική μας μπαταρία διατηρεί υψηλή ενεργειακή πυκνότητα σχεδόν 400 Wh/kg ακόμη και στους -50 βαθμούς Κελσίου”, δήλωσε ο Chen. “Αυτό ανοίγει ευρείες προοπτικές εφαρμογής, όχι μόνο στην αύξηση της αυτονομίας των ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά και στην τροφοδοσία drones σε μεγάλα υψόμετρα, ψυχρές περιοχές και υποστήριξη διαστημικών αποστολών, όπως η εξερεύνηση της Σελήνης.”
Η πρωτοβουλία “Made in China 2025” έθεσε σαφείς στόχους για την ανάπτυξη μπαταριών λιθίου, με ενεργειακή πυκνότητα άνω των 400 Wh/kg για τις μπαταρίες EV έως το 2025 (κάτι που έχει επιτευχθεί μόνο σε πρωτότυπα) και άνω των 500 Wh/kg έως το 2030.
