Ένα έξυπνο χημικό κόλπο φαίνεται να λύνει ένα από τα μεγαλύτερα τεχνικά προβλήματα των μπαταριών του μέλλοντος, ανοίγοντας τον δρόμο για ηλεκτρικά αυτοκίνητα που θα μπορούν να διανύουν έως και 800 χιλιόμετρα με φόρτιση μόλις 12 λεπτών.
Οι ερευνητές εδώ και χρόνια δουλεύουν πάνω στις λεγόμενες μπαταρίες μετάλλου λιθίου. Σε αυτές την άνοδο δεν αποτελεί ο γραφίτης αλλά καθαρό λίθιο, κάτι που αυξάνει σημαντικά την ενεργειακή πυκνότητα — δηλαδή περισσότερο ρεύμα για λιγότερο βάρος. Στην πράξη αυτό σημαίνει μεγαλύτερη αυτονομία και ταχύτερο γέμισμα της μπαταρίας σε σχέση με τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Ωστόσο, η βασική δυσκολία είναι ο σχηματισμός των «δενδριτών»: μικρές κρυσταλλικές προεξοχές που αναπτύσσονται στην επιφάνεια της ανόδου κατά τη φόρτιση. Οι δενδρίτες μειώνουν την απόδοση με την πάροδο του χρόνου, γίνονται εντονότεροι με γρήγορη φόρτιση και αυξάνουν τον κίνδυνο βραχυκυκλώματος.
Νέος τύπος ηλεκτρολύτη
Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Energy, ερευνητές περιγράφουν έναν νέο υγρό ηλεκτρολύτη που αναστέλλει τον σχηματισμό των δενδριτών. Ο συγκεκριμένος «αντι-συνεκτικός» ηλεκτρολύτης προάγει την ομοιόμορφη απόθεση των ιόντων λιθίου στην άνοδο, αποτρέποντας τα αδύναμα σημεία όπου ξεκινούν οι κρυσταλλικές δομές. Αυτό βελτιώνει την ικανότητα ταχείας φόρτισης και επεκτείνει τη διάρκεια ζωής των μπαταριών — έως και πάνω από 300.000 χιλιόμετρα, σύμφωνα με τους ερευνητές.
Σε όλες αυτές τις μπαταρίες ο ηλεκτρολύτης είναι το υγρό που μεταφέρει τα ιόντα λιθίου από την κάθοδο στην άνοδο. Η καινοτομία της νέας φόρμουλας είναι ότι αλλάζει τη διεπιφανειακή συμπεριφορά του λιθίου, δημιουργώντας πιο ομοιογενή κατανομή των ιόντων κατά τη φόρτιση και έτσι σταματά την ανάπτυξη δενδριτών.
Τι έδειξαν οι δοκιμές
Στο εργαστήριο, οι μπαταρίες που χρησιμοποίησαν τον νέο ηλεκτρολύτη φόρτισαν από 5% σε 70% σε 12 λεπτά και διατήρησαν αυτή την απόδοση για 350 κύκλους φόρτισης. Μια έκδοση με μεγαλύτερη χωρητικότητα έφτασε στο 80% σε 17 λεπτά και παρέμεινε σταθερή για 180 κύκλους. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν σταθερότητα στην ταχεία φόρτιση, κάτι κρίσιμο για πρακτικές εφαρμογές σε οχήματα.
«Η έρευνα αυτή αποτελεί θεμέλιο για την υπέρβαση των τεχνικών προκλήσεων των μπαταριών μετάλλου λιθίου μέσω της κατανόησης της διεπιφανειακής δομής», αναφέρει ο Hee Tak Kim, καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής στο KAIST. «Έχουμε ξεπεράσει το μεγαλύτερο εμπόδιο για την εφαρμογή τους στα ηλεκτρικά οχήματα».
Η εξέλιξη αυτή φέρνει πιο κοντά την εποχή όπου τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θα φορτίζουν πολύ γρήγορα και θα προσφέρουν αυτονομία αντίστοιχη ή μεγαλύτερη από τα σήμερα συμβατικά οχήματα, μειώνοντας τον χρόνο και τις ανησυχίες γύρω από τη φόρτιση.
