Ερευνητές στη Νότια Κορέα ανέπτυξαν μπαταρία στερεού ηλεκτρολύτη χωρίς άνοδο, πάχους μόλις 2,77 μικρομέτρων
Ερευνητές του Πανεπιστημίου Dongguk στη Νότια Κορέα ανέπτυξαν πρωτότυπη μπαταρία στερεού ηλεκτρολύτη χωρίς άνοδο, με ενεργειακή πυκνότητα 235 Wh/l έπειτα από 100 κύκλους φόρτισης. Με πάχος μόλις 2,77 μικρόμετρα, η μπαταρία χρησιμοποιεί μια νέα ενδιάμεση στρώση κασσίτερου και άνθρακα, που συμβάλλει στον περιορισμό των απωλειών λιθίου και στη βελτίωση της αξιοπιστίας. Δεν αποτελεί ακόμη σημαντική τομή στην τεχνολογία μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων, αλλά η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να βοηθήσει στην αντιμετώπιση μιας από τις μεγαλύτερες τεχνικές αδυναμίες των μπαταριών στερεού ηλεκτρολύτη.
Η μπαταρία σχηματίζει την άνοδό της κατά τη φόρτιση
Η μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Energy Materials με τίτλο «Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode», επικεντρώνεται στον έλεγχο της εναπόθεσης λιθίου στις μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη. Σε μια συμβατική μπαταρία ιόντων λιθίου, η άνοδος και η κάθοδος είναι ξεχωριστά ηλεκτρόδια και τα ιόντα λιθίου μετακινούνται μεταξύ τους κατά τη φόρτιση. Η νέα σχεδίαση δεν διαθέτει συμβατική στρώση ανόδου κατά την κατασκευή της. Στην πρώτη φόρτιση, το λίθιο μετακινείται από την κάθοδο στον συλλέκτη ρεύματος και σχηματίζει πάνω του μια στρώση μεταλλικού λιθίου.
Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει τη μείωση του μεγέθους της μπαταρίας και την αύξηση της ενέργειας που αποθηκεύεται ανά μονάδα όγκου. Το πρόβλημα, ωστόσο, είναι η ανομοιόμορφη εναπόθεση λιθίου, η οποία μπορεί να προκαλέσει απώλεια χωρητικότητας και εσωτερικά βραχυκυκλώματα.
Ο κασσίτερος και ο άνθρακας βελτιώνουν τη σταθερότητα της μπαταρίας
Η λύση των ερευνητών βασίζεται σε έναν συλλέκτη ρεύματος από χαλκό, στον οποίο πρόσθεσαν μια εξαιρετικά λεπτή ενδιάμεση στρώση κασσίτερου και άνθρακα.
Ο κασσίτερος βοηθά στην έναρξη της εναπόθεσης λιθίου, ενώ ο άνθρακας συμβάλλει στην πιο ομοιόμορφη κατανομή του. Έτσι μειώνεται ο κίνδυνος να σχηματιστούν ακανόνιστες δομές λιθίου κατά τη φόρτιση ή να απομονωθεί ηλεκτρικά το λίθιο και να πάψει να συμβάλλει στην αποθήκευση ενέργειας. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης προλιθίωση, προσθέτοντας στο σύστημα ένα μικρό απόθεμα λιθίου για να αντισταθμίσουν τις μη αναστρέψιμες απώλειες κατά τους πρώτους κύκλους λειτουργίας.
Το πρωτότυπο συνδυάζει κάθοδο από οξείδιο λιθίου-βαναδίου με στερεό ηλεκτρολύτη τύπου LiPON. Η κάθοδος έχει πάχος περίπου 2 μικρόμετρα, ενώ ολόκληρο το στοιχείο της μπαταρίας έχει πάχος 2,77 μικρόμετρα.
Έπειτα από 100 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, το στοιχείο πέτυχε ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα 235,13 Wh/l. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με πολύ χαμηλή ένταση ρεύματος, σε ρυθμό φόρτισης 0,01 C.
Η ενεργειακή πυκνότητα δεν επαρκεί ακόμη για ηλεκτρικά οχήματα
Παρότι το αποτέλεσμα αναδεικνύει μια νέα προσέγγιση στην ανάπτυξη μπαταριών στερεού ηλεκτρολύτη, τα 235 Wh/l δεν αποτελούν εξαιρετική επίδοση με βάση τα σημερινά πρότυπα των ηλεκτρικών οχημάτων.
Οι σύγχρονες μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να φτάσουν σε ενεργειακή πυκνότητα αρκετών εκατοντάδων Wh/l σε επίπεδο στοιχείου. Επομένως, το πρωτότυπο του Dongguk δεν μπορεί να θεωρηθεί άμεσος ανταγωνιστής των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων που αναπτύσσουν η Toyota, η CATL ή άλλοι μεγάλοι κατασκευαστές μπαταριών.
Μεγαλύτερη σημασία έχει η αρχή σχεδίασης στην οποία βασίζεται. Μια αρχιτεκτονική χωρίς άνοδο θα μπορούσε στο μέλλον να μειώσει τη χρήση υλικών και να επιτρέψει την κατασκευή πιο συμπαγών στοιχείων μπαταρίας.
Για το σημερινό πρωτότυπο, ωστόσο, παραμένουν ερωτήματα σχετικά με τη μακροχρόνια αντοχή, τη φόρτιση με υψηλή ένταση ρεύματος, το κόστος παραγωγής και την προσαρμογή της τεχνολογίας για παραγωγή μπαταριών σε μεγάλη κλίμακα.
Η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για φορετές ηλεκτρονικές συσκευές, ιατροτεχνολογικές συσκευές και μικρούς αισθητήρες, όπου οι διαστάσεις της μπαταρίας είναι συχνά σημαντικότερες από την ενεργειακή πυκνότητα.
Μια σημαντική ερευνητική κατεύθυνση για την ευρωπαϊκή βιομηχανία μπαταριών
Οι Ευρωπαίοι κατασκευαστές μπαταριών και οι αυτοκινητοβιομηχανίες επενδύουν στις μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη με την ελπίδα να αυξήσουν την αυτονομία, να βελτιώσουν την ασφάλεια και να μειώσουν την εξάρτηση από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Η έρευνα του Πανεπιστημίου Dongguk δείχνει, πάντως, ότι η επιτυχία των μπαταριών στερεού ηλεκτρολύτη δεν εξαρτάται αποκλειστικά από νέους ηλεκτρολύτες. Ο έλεγχος των διεργασιών στις διεπιφάνειες των ηλεκτροδίων είναι τουλάχιστον εξίσου σημαντικός.
Η πραγματική αξία της μελέτης δεν βρίσκεται στην ενεργειακή πυκνότητα των 235 Wh/l, αλλά στη δυνατότητα να γίνει πιο σταθερή μια μπαταρία χωρίς άνοδο. Αν οι ερευνητές μπορέσουν να εφαρμόσουν την ίδια αρχή σε μεγαλύτερα στοιχεία και με υψηλότερες εντάσεις ρεύματος φόρτισης, αυτό θα μπορούσε να συμβάλει στην ανάπτυξη μπαταριών επόμενης γενιάς.
Προς το παρόν, η τεχνολογία παραμένει στο εργαστήριο. Θα χρειαζόταν σημαντική περαιτέρω ανάπτυξη προτού μπορέσει να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρικά οχήματα.
