Από τους φορητούς υπολογιστές μέχρι τα smartphones προς την ανερχόμενη βιομηχανία ηλεκτρικών αυτοκινήτων, ο κόσμος μας εξαρτάται όλο και περισσότερο από τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Αλλά όπως όλοι όσοι κατέχουν ένα φορητό υπολογιστή για περισσότερα από μερικά χρόνια ξέρουν, οι μπαταρίες χάνουν τελικά την ικανότητά τους να κατέχουν πλήρη χρέωση.
Οι επιστήμονες δεν κατάφεραν ποτέ πραγματικά να καταλάβουν γιατί συμβαίνει αυτό, γεγονός που το καθιστούσε δύσκολο να το διορθώσουμε. Ωστόσο, σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες ερευνητών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Communications, ίσως να είμαστε πιο κοντά από ποτέ σε μια μπαταρία που δεν υποβαθμίζει.
Εργαζόμενοι ειδικά με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, που χρησιμοποιούνται συνήθως στις συσκευές των καταναλωτών λόγω του ελαφρού βάρους τους και της υψηλής χωρητικότητάς τους, οι επιστήμονες έχουν χαρτογραφήσει τη διαδικασία φόρτωσης και εκφόρτωσης κάτω από τα δισεκατομμύρια του μέτρου για να κατανοήσουν καλύτερα πώς λειτουργεί η υποβάθμιση. Ανακάλυψαν δύο ενόχους στην υποβάθμιση της μπαταρίας. Το πρώτο: τα μικροσκοπικά ευπάθειες στη δομή του υλικού της μπαταρίας κατευθύνουν τα ιόντα λιθίου απροσδόκητα μέσω της κυψέλης, διαβρώνοντας την μπαταρία με φαινομενικά τυχαίους τρόπους, σαν τη σκουριά απλώνεται στις ατέλειες του χάλυβα. Στη δεύτερη μελέτη, που επικεντρώθηκε στην εξεύρεση της καλύτερης ισορροπίας μεταξύ τάσης, χωρητικότητας αποθήκευσης και κύκλων μέγιστης φόρτισης, οι ερευνητές όχι μόνο βρήκαν παρόμοια προβλήματα με τη ροή ιόντων, αλλά και μικροσκοπικές συσσωρεύσεις κρυστάλλων νανο-κλίμακας που άφησαν πίσω τους οι χημικές αντιδράσεις, ροή των ιόντων για να γίνει ακόμα πιο ακανόνιστο μετά από κάθε φόρτιση. Τρέξιμες μπαταρίες σε υψηλότερες τάσεις οδήγησε επίσης σε περισσότερες ανωμαλίες διαδρομής ιόντων, και έτσι μια πιο γρήγορα επιδεινούμενη μπαταρία.
σχετικό περιεχόμενο
- Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μπορούν να κάνουν τις πόλεις πιο δροσερές
Μπορεί να φανεί όπως οι επιστήμονες θα πρέπει να έχουν καταλάβει πλήρως την μπαταρία - μια τεχνολογία που ήταν πραγματικά γύρω από πριν από 1800-δεκαετίες. Αλλά ο Huolin Xin, επιστήμονας των υλικών στο εργαστήριο Brookhaven Lab και συνάδελφος και στις δύο μελέτες, λέει ότι ο νικητής συνδυασμός νέων τεχνολογιών μόλις πρόσφατα έγινε διαθέσιμος.
"Πολλά από τα πλέον σύγχρονα εργαλεία χαρακτηρισμού, όπως ηλεκτρονικά μικροσκόπια που έχουν διορθωθεί με εκτροπή και νέες τεχνικές ακτίνων Χ του συγχροτρόνου, δεν ήταν διαθέσιμα πριν από 10 χρόνια", λέει ο Xin. Αλλά τώρα, λέει, μπορούν να εφαρμοστούν στη μελέτη των μπαταριών ιόντων λιθίου.
Τα νέα δεδομένα παρέχουν στους ερευνητές μια σαφέστερη εικόνα του τρόπου λειτουργίας των μπαταριών αυτών, οι οποίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μπαταρίες μεγαλύτερης διάρκειας σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης στο μη απομακρυσμένο μέλλον. Παρουσιάζει όμως και νέα προβλήματα. Ο Xin λέει ότι η μεγιστοποίηση της επιφάνειας είναι σημαντική για την απόδοση της μπαταρίας, αλλά μια μεγαλύτερη επιφάνεια πιθανότατα διευκολύνει την υποβάθμιση.
Για να αποφευχθεί η υποβάθμιση της επιφάνειας, μπορούμε είτε να επικαλύψουμε την κάθοδο με ένα προστατευτικό στρώμα, είτε να αποκρύψουμε αυτές τις επιφάνειες δημιουργώντας όρια μέσα στις σκόνες μεγέθους micron [μέσα στο κύτταρο]. "
Η εύρεση των αποδοτικότερων και αποδοτικότερων τρόπων για να γίνει αυτό θα αποτελέσει μέρος μιας μελλοντικής φάσης της έρευνας.
Ο Daniel Abraham, ένας επιστήμονας που επικεντρώνεται στην έρευνα μπαταριών ιόντων λιθίου στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne έξω από το Σικάγο, είναι σκεπτικός ότι οι νέες μελέτες αντιπροσωπεύουν μια πραγματική πρόοδο. Λέει ότι έχουν γίνει εργασίες χαρτογράφησης με παρόμοια υλικά στο παρελθόν, συμπεριλαμβανομένης της ομάδας του πριν από περίπου 12 χρόνια. Πιστεύει επίσης ότι μπορεί να υπάρξει περισσότερη υποβάθμιση της μπαταρίας από ό, τι έχουν βρει οι νέες μελέτες.
"Προσπαθούν να δημιουργήσουν μια συσχέτιση μεταξύ της υποβάθμισης της απόδοσης και των εικόνων που βλέπουν, οι οποίες μπορεί να μην είναι σωστές", λέει ο Αβραάμ. "Είναι εν μέρει η ιστορία, αλλά δεν νομίζω ότι είναι όλη η ιστορία."
Xin, είναι πιο αισιόδοξος ότι η εργασία θα οδηγήσει σε βελτιώσεις της μπαταρίας, όχι μόνο για τα μελλοντικά ηλεκτρικά οχήματα, αλλά και για τα φορητά ηλεκτρονικά.
"Η κάθοδος λιθίου-νικελίου-μαγγανίου-κοβαλτίου-οξειδίου έχει αναγνωριστεί πρόσφατα ως το μόνο εμπορικά βιώσιμο υλικό για μπαταρίες ιόντων λιθίου επόμενης γενιάς", λέει η Xin. "Με την επίλυση του προβλήματός της υποβάθμισης, μπορούμε να κάνουμε τις μπαταρίες επόμενης γενιάς μικρότερες και να τις φορτώσουμε και να τις εκφορτώσουμε πιο αξιόπιστα".
Ωστόσο, οι δύο εμπειρογνώμονες μπαταρίας συμφωνούν ότι για πολλές σημαντικές μελλοντικές εφαρμογές, η εύρεση ενός τρόπου για να γίνουν μπαταρίες που δεν φθείρονται όσο πιο γρήγορα είναι εξίσου σημαντική με τη δημιουργία μπαταριών που έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα.
Η Xin επισημαίνει ότι οι αγοραστές ηλεκτρικών αυτοκινήτων δικαιολογημένα ανησυχούν για την αποτυχία της μπαταρίας μετά τη λήξη της εγγύησης. Ο Αβραάμ σημειώνει ότι ενώ χρειάζεστε μόνο δυο χρόνια απόδοσης από τη μπαταρία smartphone ή tablet, για ηλεκτρικά οχήματα, οι περισσότεροι ιδιοκτήτες αναζητούν μπαταρία που διαρκεί 10 έως 15 χρόνια. Και για χρήση στο ηλεκτρικό δίκτυο (για την αποθήκευση της πλεονάζουσας ενέργειας που παράγεται σε ώρες εκτός αιχμής), οι μπαταρίες θα πρέπει να διαρκούν 30 χρόνια ή περισσότερο.
Αυτό κάνει την οικοδόμηση μιας καλύτερης μπαταρίας για το laptop σας πολύ πιο εύκολη από την επίλυση προβλημάτων μακροζωίας σε άλλες περιοχές.
"Είναι καλό να έχουμε μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, αλλά αν έχετε υψηλή ενεργειακή πυκνότητα αλλά όχι μεγάλη διάρκεια ζωής, τότε η εμπορική βιωσιμότητα αυτών των τεχνολογιών τίθεται υπό αμφισβήτηση", λέει ο Αβραάμ. "Ενώ, αν μπορείτε να δείξετε ότι έχετε μια νέα τεχνολογία και μπορεί να διαρκέσει από δύο έως 30 χρόνια, αυτό γίνεται άμεσα βιώσιμο εμπορικά."
Ενώ το έργο του Xin και των συναδέλφων του μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να δημιουργήσουν μπαταρίες που δεν υποβαθμίζονται τόσο γρήγορα, είναι σαφές ότι θα χρειαστούν περαιτέρω ανακαλύψεις πριν δούμε επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που διαρκούν μια δεκαετία ή και περισσότερο χωρίς σοβαρή φθορά.
