Νέα καινοτομία στις μπαταρίες υπόσχεται ταχύτατη φορτιστή και υψηλή ενεργειακή πυκνότητα

Μια σημαντική καινοτομία στον τομέα των μπαταριών φέρνει στο φως η συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTECH) και του Κορεατικού Ινστιτούτου Ενεργειακής Έρευνας (KIER), καθώς οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο προηγμένο υλικό ανόδου που υπόσχεται να δώσει λύση στην αυξανόμενη ζήτηση για μπαταρίες με υπερταχεία φόρτιση και υψηλή ενεργειακή απόδοση. Η νέα αυτή τεχνολογία θα μπορούσε να εφαρμοστεί ευρέως, από ηλεκτρικά οχήματαμέχρι συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας (ESS).

Μέχρι σήμερα, ο γραφίτης αποτελεί το πιο διαδεδομένο υλικό ανόδου για τις μπαταρίες λιθίου (Li-ion), ωστόσο παρουσιάζει περιορισμούς ως προς την ενεργειακή πυκνότητα και τις ταχύτητες φόρτισης. Η ερευνητική ομάδα προτείνει έναν νέο σχεδιασμό ηλεκτροδίου που συνδυάζει σκληρό άνθρακα (hard carbon) με κασσίτερο (Sn), με στόχο την υπέρβαση αυτών των περιορισμών.

Ο σκληρός άνθρακας, ένα άμορφο υλικό με άφθονα μικροπορώδη και διαύλους, επιτρέπει γρήγορη διάχυση ιόντων λιθίου και νατρίου, συνδυάζοντας μηχανική αντοχή και υψηλή αποθήκευση ενέργειας. Το βασικό εμπόδιο όμως ήταν η ενσωμάτωση του κασσίτερου, λόγω του χαμηλού σημείου τήξης του (~230°C), που καθιστά δύσκολη την παραγωγή πολύ μικρών σωματιδίων απαραίτητων για την αποφυγή της επικίνδυνης διαστολής κατά τη φόρτιση/εκφόρτιση.

Η λύση ήρθε μέσω μιας τεχνικής sol-gel και θερμικής αναγωγής, χάρη στην οποία κατάφεραν να ενσωματώσουν σωματίδια κασσίτερου μεγέθους κάτω των 10 νανομέτρων ομοιόμορφα κατανεμημένα μέσα στο πλέγμα του σκληρού άνθρακα. Το αποτέλεσμα δεν είναι απλώς ένας φυσικός συνδυασμός υλικών, αλλά μια συνεργατική δομή, όπου ο κασσίτερος λειτουργεί τόσο ως ενεργό υλικό όσο και ως καταλύτης για την κρυσταλλοποίηση του άνθρακα.

Η απόδοση του νέου ηλεκτροδίου στις μπαταρίες λιθίου είναι εντυπωσιακή: διατήρησε σταθερή λειτουργία για πάνω από 1.500 κύκλους φόρτισης με χρόνο μόλις 20 λεπτών ανά κύκλο, ενώ παρουσίασε κατά 50% υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου συγκριτικά με τον συμβατικό γραφίτη.

Ακόμα πιο εντυπωσιακή είναι η συμβατότητα με μπαταρίες νατρίου (SIBs), έναν τομέα στον οποίο τα περισσότερα υλικά ανόδου παρουσιάζουν προβλήματα. Το νέο σύνθετο υλικό διατηρεί υψηλή σταθερότητα και γρήγορη κινητική συμπεριφορά και σε περιβάλλον νατρίου, ανοίγοντας τον δρόμο για εναλλακτικές λύσεις αποθήκευσης ενέργειας χαμηλότερου κόστους.

Ο καθηγητής Soojin Park του POSTECH δήλωσε:

Η έρευνα μας αποτελεί σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη επόμενης γενιάς υψηλής απόδοσης μπαταριών, με εφαρμογές από τα ηλεκτρικά οχήματα έως και την αποθήκευση ενέργειας δικτύου.

Ο Dr. Gyujin Song του KIER προσέθεσε:

Η συνύπαρξη υψηλής ισχύος, σταθερότητας και ενεργειακής απόδοσης σε μία άνοδο, σε συνδυασμό με τη λειτουργία της και σε συστήματα νατρίου, συνιστά σημείο καμπής για την παγκόσμια αγορά επαναφορτιζόμενων μπαταριών.

[via]