Τι είναι οι εύκαμπτες μπαταρίες στερεάς κατάστασης;

Μια ομάδα διεθνών επιστημόνων ανέπτυξε έναν νέο τύπο μπαταρίας στερεάς κατάστασης που θα μπορούσε να αυξήσει την εμβέλεια των ηλεκτρικών οχημάτων και να αποτρέψει τις πυρκαγιές σε φορητούς υπολογιστές και smartphone. Οι συγγραφείς περιγράφουν τα ευρήματά τους στο Advanced Energy Materials. Αντικαθιστώντας τους υγρούς ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στις συμβατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες με «στερεές», κεραμικές, είναι σε θέση να παράγουν πιο αποτελεσματικές, μακροχρόνιες μπαταρίες που είναι επίσης ασφαλέστερες για χρήση. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτά τα πλεονεκτήματα μπορούν να ανοίξουν το δρόμο για πιο αποτελεσματικές, πιο πράσινες μπαταρίες για όλα τα είδη συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Οι συγγραφείς της μελέτης, από τις ΗΠΑ και το Ηνωμένο Βασίλειο, έχουν εξερευνήσει εναλλακτικές λύσεις αντί των υγρών ηλεκτρολυτών σε μπαταρίες ιόντων λιθίου εδώ και αρκετό καιρό. Το 2016 ανακοίνωσαν την ανάπτυξη μιας μπαταρίας στερεάς κατάστασης που θα μπορούσε να λειτουργεί με πάνω από διπλάσια τάση από τις συμβατικές κυψέλες ιόντων λιθίου, αλλά με παρόμοια απόδοση.

Ενώ ο τελευταίος σχεδιασμός τους αντιπροσωπεύει μια σημαντική βελτίωση σε αυτήν την προηγούμενη έκδοση, ο ερευνητής καθηγητής Donald Sadoway από το MIT σημειώνει ότι υπάρχει ακόμα περιθώριο βελτίωσης: «Η επίτευξη υψηλής ιοντικής αγωγιμότητας σε κεραμικά υλικά σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να είναι δύσκολη», εξήγησε. «Αυτό ήταν ένα σημαντικό επίτευγμα». Οι ερευνητές ελπίζουν ότι μετά από δοκιμή, αυτές οι βελτιωμένες μπαταρίες θα αποδειχθούν κατάλληλες για ηλεκτρικά οχήματα ή ακόμα και για την τροφοδοσία αεροπλάνων.

Στις μπαταρίες στερεάς κατάστασης, η ζημιά λόγω υπερθέρμανσης αποτρέπεται με τη χρήση κεραμικών ηλεκτρολυτών και όχι εύφλεκτων, υγρών. Εάν η μπαταρία έχει καταστραφεί και αρχίσει να υπερθερμαίνει τους κεραμικούς ηλεκτρολύτες αντί να αναφλεγεί, κάτι που την εμποδίζει να πάρει φωτιά. Οι πόροι στη δομή αυτών των στερεών υλικών τους επιτρέπουν επίσης να μεταφέρουν ένα πολύ μεγαλύτερο φορτίο ηλεκτρικού φορτίου με ιόντα που κινούνται μέσω ενός εκτεταμένου δικτύου μέσα στο στερεό.

Αυτά τα χαρακτηριστικά σημαίνουν ότι οι επιστήμονες μπόρεσαν να αυξήσουν τόσο την τάση όσο και την χωρητικότητα των μπαταριών τους σε σύγκριση με εκείνες που περιέχουν εύφλεκτους υγρούς ηλεκτρολύτες. Στην πραγματικότητα, είπε ο καθηγητής Sadoway: «Δείξαμε μια κυψέλη λιθίου-αέρα με 12 βολτ που λειτουργεί στους 90 βαθμούς C [194 °F]. Αυτό είναι υψηλότερο από ό,τι έχει πετύχει οποιοσδήποτε άλλος».

Αυτός ο νέος σχεδιασμός μπαταρίας έχει άλλα πιθανά πλεονεκτήματα έναντι των εύφλεκτων ηλεκτρολυτών, συμπεριλαμβανομένου του γεγονότος ότι οι κεραμικοί ηλεκτρολύτες είναι γενικά πιο σταθεροί από τους οργανικούς. «Το εκπληκτικό είναι πόσο καλά λειτούργησε», είπε ο καθηγητής Sadoway. «Πήραμε περισσότερη ενέργεια από αυτό το κύτταρο παρά που βάλαμε σε αυτό».

Αυτή η σταθερότητα θα μπορούσε να επιτρέψει στους κατασκευαστές να συσκευάζουν μεγάλο αριθμό κυψελών στερεάς κατάστασης σε φορητούς υπολογιστές ή ηλεκτρικά αυτοκίνητα χωρίς να χρειάζεται να ανησυχούν για την υπερθέρμανση τους, καθιστώντας τις συσκευές πολύ πιο ασφαλείς και παρατείνοντας τη λειτουργική τους διάρκεια. Επί του παρόντος, εάν τέτοιου είδους μπαταρίες υπερθερμανθούν, διατρέχουν τον κίνδυνο να πιάσουν φωτιά – όπως συνέβη πρόσφατα με το τηλέφωνο Samsung Galaxy Note 7. Οι φλόγες που θα προκύψουν δεν θα μπορούσαν να εξαπλωθούν επειδή δεν υπάρχει αέρας μέσα στις κυψέλες για να διατηρήσει την καύση. Πράγματι, δεν θα μπορούσαν να εξαπλωθούν πέρα ​​από το σημείο της αρχικής ζημιάς.

Αυτά τα στερεά υλικά είναι επίσης πολύ μακράς διάρκειας. Αντίθετα, ορισμένες προσπάθειες να κατασκευαστούν μπαταρίες ιόντων λιθίου με εύφλεκτους υγρούς ηλεκτρολύτες, οι οποίοι λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες (πάνω από 100°C) ανάβουν συνήθως φωτιά μετά από 500 ή 600 κύκλους. Οι κεραμικοί ηλεκτρολύτες μπορούν να αντέξουν περισσότερους από 7500 κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης χωρίς να πιάσουν φωτιά."

Τα νέα ευρήματα θα μπορούσαν να είναι εξαιρετικά σημαντικά τόσο για την επέκταση της εμβέλειας των EVs όσο και για την πρόληψη πυρκαγιών smartphone. Σύμφωνα με τον Sadoway: "Οι παλαιότερες γενιές μπαταριών είχαν μπαταρίες μολύβδου οξέος [αυτοκίνητο]. Είχαν μικρή εμβέλεια αλλά ήταν απίστευτα αξιόπιστες", είπε, προσθέτοντας ότι η απρόβλεπτη αδυναμία τους ήταν ότι "αν έκανε μεγαλύτερη ζέστη από περίπου 60°C, τότε θα έπαιρνε φωτιά».

Οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου, εξηγεί, είναι ένα βήμα παραπάνω από αυτό. «Έχουν μεγάλη εμβέλεια, αλλά μπορεί να καταστραφούν από σοβαρή υπερθέρμανση και να πιάσουν φωτιά», είπε, προσθέτοντας ότι η νέα μπαταρία στερεάς κατάστασης είναι δυνητικά μια «θεμελιώδης ανακάλυψη», επειδή θα μπορούσε να οδηγήσει σε πολύ πιο αξιόπιστες, ασφαλέστερες συσκευές.

Οι επιστήμονες στο MIT πιστεύουν ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να πάρει πέντε χρόνια για να χρησιμοποιηθεί ευρέως, αλλά ακόμη και το επόμενο έτος ελπίζουν να δουν τέτοιου είδους μπαταρίες να τοποθετούνται σε smartphone από μεγάλους κατασκευαστές όπως η Samsung ή η Apple. Σημείωσαν επίσης ότι υπάρχουν πολλές εμπορικές χρήσεις για αυτά τα κύτταρα εκτός από τηλέφωνα, συμπεριλαμβανομένων φορητών υπολογιστών και ηλεκτρικών οχημάτων.

Ωστόσο, ο καθηγητής Sadoway προειδοποιεί ότι υπάρχει ακόμη αρκετός δρόμος για να τελειοποιηθεί η τεχνολογία. "Έχουμε ένα κύτταρο που φαίνεται πραγματικά εξαιρετικό, αλλά είναι πολύ νωρίς... Δεν έχουμε ακόμη φτιάξει κύτταρα με μεγάλης κλίμακας ηλεκτρόδια πυκνότητας υψηλής ισχύος."

Ο Sadoway πιστεύει ότι αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα υιοθετηθεί ευρέως αμέσως, επειδή έχει τη δυνατότητα όχι μόνο να τροφοδοτήσει ηλεκτρικά οχήματα με πολύ μεγαλύτερη εμβέλεια αλλά και ενδεχομένως να αποτρέψει τις πυρκαγιές smartphone. Ίσως πιο εκπληκτική είναι η πρόβλεψή του ότι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν παγκοσμίως σε λιγότερο από πέντε χρόνια, αφού οι περισσότεροι κατασκευαστές πεισθούν για την ασφάλεια και την αξιοπιστία τους.