Η καλή μπαταρία χρειάζεται δύο πράγματα: υψηλή ενεργειακή πυκνότητα για να μπορεί να τροφοδοτεί συσκευές και σταθερότητα για να επαναφορτίζεται με ασφάλεια και αξιοπιστία χιλιάδες φορές. Τα τελευταία τριάντα χρόνια, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν κυριαρχήσει και χρησιμοποιούνται σε smartphone, φορητούς υπολογιστές και ηλεκτρικά οχήματα.
Αλλά οι ερευνητές μπαταριών έχουν αρχίσει να προσεγγίζουν τα όρια των ιόντων λιθίου. Καθώς τα πρώτα μεγάλα οχήματα και τα ηλεκτρικά αεροσκάφη της επόμενης γενιάς αρχίζουν να φτάνουν στην αγορά, αυξάνεται η αναζήτηση για ασφαλέστερα, φθηνότερα και ισχυρότερα συστήματα μπαταριών από τις μπαταρίες των ιόντων λιθίου.
Μια ομάδα ερευνητών από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Georgia, με επικεφαλής τον Matthew McDowell, αναπληρωτή καθηγητή στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών George W. Woodruff και στη Σχολή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών, χρησιμοποιεί φύλλα αλουμινίου για να δημιουργήσει μπαταρίες με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και μεγαλύτερη σταθερότητα. Το νέο σύστημα μπαταριών της ομάδας, που περιγράφεται λεπτομερώς στο Nature Communications, αναμένεται ότι θα μπορέσει να επιτρέψει στα ηλεκτρικά οχήματα να κυκλοφορούν περισσότερο με μία μόνο φόρτιση και ότι θα έχουν χαμηλότερο κόστος κατασκευής — και τα δύο αυτά με θετικό αντίκτυπο στο περιβάλλον.
Τα πλεονεκτήματα του αλουμινίου
«Ψάχνουμε πάντα για μπαταρίες με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, που θα επιτρέψουν στα ηλεκτρικά οχήματα να διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις με μία μόνο φόρτιση», είπε ο McDowell. «Είναι ενδιαφέρον ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το αλουμίνιο ως υλικό μπαταρίας, επειδή είναι οικονομικά αποδοτικό, εξαιρετικά ανακυκλώσιμο και εύκολο στη χρήση του».
Η ιδέα της κατασκευής μπαταριών με αλουμίνιο δεν είναι καινούργια. Οι ερευνητές ερεύνησαν τις δυνατότητες του αλουμινίου στη δεκαετία του 1970, αλλά τότε δεν είχε λειτουργήσει καλά.
Όταν χρησιμοποιείται σε μια συμβατική μπαταρία ιόντων λιθίου, το αλουμίνιο θρυμματίζεται και αποτυγχάνει μέσα σε λίγους κύκλους φόρτισης - εκφόρτισης, λόγω διαστολής και συστολής καθώς το λίθιο ταξιδεύει μέσα και έξω από το υλικό. Γι αυτό οι εταιρείες είχαν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι το αλουμίνιο δεν ήταν βιώσιμο υλικό για την κατασκευή μπαταρίας και η ιδέα είχε εγκαταλειφθεί σε μεγάλο βαθμό.
Μπαταρίες στερεού τύπου
Τώρα, όμως στο παιχνίδι έχουν μπει οι μπαταρίες στερεού τύπου. Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου περιέχουν ένα εύφλεκτο υγρό που μπορεί να οδηγήσει σε πυρκαγιές, οι μπαταρίες στερεού τύπου περιέχουν ένα στερεό υλικό που δεν είναι εύφλεκτο και, επομένως, πιθανότατα πιο ασφαλές. Οι μπαταρίες στερεού τύπου επιτρέπουν επίσης την ενσωμάτωση νέων υλικών υψηλής απόδοσης, όπως δείχνει η συγκεκριμένη έρευνα.
Το έργο ξεκίνησε ως συνεργασία μεταξύ της ομάδας Georgia Tech και της Novelis, κορυφαίου κατασκευαστή αλουμινίου και της μεγαλύτερης εταιρείας ανακύκλωσης αλουμινίου στον κόσμο, ως μέρος του Novelis Innovation Hub στο Georgia Tech. Η ερευνητική ομάδα γνώριζε ότι το αλουμίνιο θα παρουσίαζε πλεονεκτήματα σε επίπεδο ενέργειας, κόστους και κατασκευής αν χρησιμοποιούνταν ως υλικό στην άνοδο της μπαταρίας - την αρνητικά φορτισμένη πλευρά της μπαταρίας όπου αποθηκεύεται το λίθιο για τη δημιουργία ενέργειας - αλλά τα φύλλα καθαρού αλουμινίου δεν έδιναν τα επιθυμητά αποτελέσματα όταν δοκιμάζονταν σε μπαταρίες .
Τα πειράματα
Εν τέλει, η ομάδα αποφάσισε να ακολουθήσει μια διαφορετική προσέγγιση. Αντί να χρησιμοποιούν καθαρό αλουμίνιο στα φύλλα, πρόσθεσαν μικρές ποσότητες άλλων υλικών στο αλουμίνιο για να δημιουργήσουν φύλλα αλουμινίου με συγκεκριμένες «μικροδομές» ή διατάξεις διαφορετικών υλικών. Δοκίμασαν πάνω από 100 διαφορετικά υλικά για να καταλάβουν πώς θα συμπεριφέρονταν στις μπαταρίες.
«Είχαμε ανάγκη να ενσωματώσουμε ένα υλικό που θα επιλύει τα θεμελιώδη προβλήματα που εμφανίζει το αλουμίνιο όταν το χρησιμοποιούμε στην άνοδο μιας μπαταρίας», είπε ο Yuhgene Liu, Ph.D. φοιτητής στο εργαστήριο McDowell που υπογράφει μεταξύ άλλων την έρευνα. «Η νέα μας άνοδος που κατασκευάσαμε από φύλλα αλουμινίου επέδειξε σημαντικά βελτιωμένη απόδοση και σταθερότητα όταν εφαρμόζεται σε μπαταρίες στερεού τύπου, σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου».
Η ομάδα παρατήρησε ότι η άνοδος αλουμινίου μπορούσε να αποθηκεύσει περισσότερο λίθιο από τα συμβατικά υλικά ανόδου, και επομένως περισσότερη ενέργεια. Έτσι, κατάφεραν να δημιουργήσουν μπαταρίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας που θα μπορούσαν ενδεχομένως να ξεπεράσουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Επιτρέπει βελτιώσεις στην απόδοση και είναι οικονομική
«Ένα από τα πλεονεκτήματα της ανόδου αλουμινίου μας για το οποίο είμαστε ενθουσιασμένοι είναι ότι επιτρέπει βελτιώσεις στην απόδοση, αλλά μπορεί να είναι και πολύ οικονομική», είπε ο McDowell. «Επιπλέον, όταν χρησιμοποιούμε ένα φύλλο αλουμινίου απευθείας ως εξάρτημα της μπαταρίας, καταργούμε πολλά από τα βήματα κατασκευής που κανονικά θα απαιτούνταν για την παραγωγή ενός υλικού μπαταρίας».
Σήμερα υπάρχουν αρκετές εταιρείες που αναπτύσσουν ηλεκτρικά αεροσκάφη αλλά ο περιοριστικός παράγοντας είναι οι μπαταρίες. Οι σημερινές μπαταρίες δεν διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσουν τα αεροσκάφη για να πετάξουν αποστάσεις μεγαλύτερες από 150 μίλια. Απαιτούνται νέες χημικές μπαταρίες και οι μπαταρίες ανόδου αλουμινίου της ομάδας McDowell θα μπορούσαν να ανοίξουν την πόρτα σε πιο ισχυρές τεχνολογίες μπαταριών.
«Η αρχική επιτυχία αυτών των ανοδίων από φύλλο αλουμινίου παρουσιάζει μια νέα κατεύθυνση για την ανακάλυψη άλλων πιθανών υλικών μπαταριών», είπε ο Liu. «Η εξέλιξη αυτή ελπίζουμε να ανοίξει το δρόμο ώστε να επαναπροσδιορίσουμε μια πιο βελτιστοποιημένη ενεργειακά και οικονομικά αποδοτική αρχιτεκτονική κυψελών μπαταρίας».
Η ομάδα εργάζεται επί του παρόντος επιδιώκοντας να αυξήσει το μέγεθος των μπαταριών για να κατανοήσει πώς το μέγεθος επηρεάζει τη συμπεριφορά του αλουμινίου. Ο όμιλος διερευνά επίσης ενεργά άλλα υλικά και μικροδομές με στόχο τη δημιουργία πολύ φθηνών φύλλων αλουμινίου για συστήματα μπαταριών.
«Αυτή είναι μια ιστορία για ένα υλικό που ήταν γνωστό για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά εγκαταλείφθηκε νωρίς στην έρευνα ανάπτυξης των μπαταριών», είπε ο McDowell. «Αλλά αποκτώντας νέες γνώσεις και μια νέα τεχνολογία – την μπαταρία στερεού τύπου – καταλάβαμε πώς μπορούμε να δώσουμε νέα ζωή στην ιδέα και να επιτύχουμε πραγματικά πολλά υποσχόμενες αποδόσεις».
www.worldenergynews.gr
