Νέα μπαταρία για ηλεκτρικά αυτοκίνητα αντέχει 1 εκ. χλμ: Τέλος στις συχνές αλλαγές και στα απόβλητα

Σύμφωνα με μελέτη που δημοσιεύεται στο ACS Applied Materials & Interfaces, μια νέα τεχνολογία όμως υπόσχεται να δώσει λύση στο πρόβλημα της φθοράς των επαναφορτιζόμενων μπαταριών αυτοκινήτων, με μοντέλα μπορούν να αντέξουν έως και ένα εκατομμύριο χιλιόμετρα χρήσης χωρίς να χρειάζονται αλλαγή.

Η φθορά των κρυστάλλων και ο ρόλος των μονοκρυσταλλικών καθόδων

Όπως διαβάζουμε στο The Brighter Side News, το πρόβλημα εντοπίζεται στον τρόπο με τον οποίο φορτίζονται και εκφορτίζονται οι μπαταρίες. Οι κάθοδοι νικελίου, που αποθηκεύουν τα ιόντα λιθίου, αποτελούνται από πολλούς μικρούς κρυστάλλους. Με την επαναλαμβανόμενη χρήση, οι κρύσταλλοι σπάνε, αποδυναμώνοντας τη δομή και μειώνοντας την ικανότητα της μπαταρίας να συγκρατεί ενέργεια. Αυτός είναι ο βασικός λόγος που οι μπαταρίες χάνουν σε απόδοση με τον χρόνο.

Οι ερευνητές αναζήτησαν τρόπους να επιμηκύνουν τη διάρκεια ζωής αυτών των καθοδικών υλικών. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες λύσεις είναι η δημιουργία των υλικών αυτών ως έναν ενιαίο μεγάλο κρύσταλλο και όχι ως μίγμα πολλών μικρών. Οι μονοκρυσταλλικές δομές είναι πιο ανθεκτικές στις φθορές, καθώς δεν διαθέτουν τα ίδια αδύναμα σημεία που έχουν τα πολυκρυσταλλικά υλικά, τα οποία τείνουν να σπάνε πιο εύκολα με την πάροδο του χρόνου.

Η επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή

Το επόμενο βήμα ήταν να κατανοηθεί πώς η δομή αυτών των καθοδικών υλικών επηρεάζεται από τη θερμοκρασία. Όταν αυτή ξεπερνούσε τους 850 βαθμούς Κελσίου, κατά την κατασκευή, διαπιστώθηκε ότι σε τα μικρά σωματίδια ενσωματώνονται σε μεγαλύτερους, ενώ εξαφανίζονται τα κενά ανάμεσά τους, επισημαίνουν οι επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Pohang της Νότιας Κορέας. Αυτή η διαδικασία – γνωστή ως πυκνοποίηση – δημιουργεί μια πιο συμπαγή και ανθεκτική δομή.

Ωστόσο, όταν εφαρμόζεται η ίδια υψηλή θερμοκρασία σε πολυκρυσταλλικά υλικά, αυτά γίνονται υπερβολικά πυκνά. Η έλλειψη πόρων οδηγεί σε ρωγμές κατά τη χρήση, κάτι που δεν ισχύει για τα μονοκρυσταλλικά υλικά. Εκείνα διατηρούν την ανθεκτικότητά τους και δεν εμφανίζουν τις ίδιες δομικές αστοχίες, προσφέροντας σταθερή απόδοση για περισσότερους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης.

Η έρευνα αυτή δείχνει ότι η θερμοκρασία κατά τη διαδικασία παραγωγής επηρεάζει σημαντικά τη μικροδομή του καθοδικού υλικού και, κατά συνέπεια, τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η κατανόηση μπορεί να συμβάλει στη δημιουργία μπαταριών που θα είναι όχι μόνο πιο ανθεκτικές, αλλά και φθηνότερες και πιο φιλικές προς το περιβάλλον, μειώνοντας την ανάγκη για συχνές αντικαταστάσεις.

Παρόλα αυτά, υπάρχει μια λεπτή ισορροπία ανάμεσα στην απόδοση και την αντοχή. Για να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητα – και άρα η αυτονομία του οχήματος – προστίθεται περισσότερο νικέλιο στις καθόδους. Αν και αυτό αυξάνει τη χωρητικότητα, προκαλεί επίσης πιο εύκολη καταστροφή της δομής λόγω ρωγμών που δημιουργούνται από την έξοδο λιθίου κατά την εκφόρτιση, μειώνοντας την απόδοση της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου.

Για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου, έχουν δοκιμαστεί διάφορες στρατηγικές, όπως η επικάλυψη των υλικών, η προσθήκη άλλων στοιχείων και η βελτίωση της εσωτερικής τους δομής. Ωστόσο, η ρύθμιση της μικροδομής φαίνεται να είναι το κλειδί. Μια σωστά σχεδιασμένη κάθοδος με ισορροπημένα μεγέθη κόκκων και διασπορά πόρων μπορεί να απορροφά καλύτερα τις πιέσεις, επιβραδύνοντας τη φθορά.

Η θερμοκρασία ως κλειδί για σταθερότερες και ανθεκτικότερες μπαταρίες

Η καθοριστική παράμετρος είναι η θερμοκρασία της καύσης (calcination). Κάτω από τους 850 βαθμούς Κελσίου, η δομή διατηρεί πόρους που απορροφούν το στρες, ενώ πάνω από αυτό το όριο η δομή γίνεται πολύ σκληρή και εύθραυστη στα πολυκρυσταλλικά υλικά. Τα μονοκρυσταλλικά, όμως, δεν έχουν όρια κόκκων, κι έτσι διατηρούν την ακεραιότητά τους ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες.

Αυτό δείχνει ότι η μακροζωία της μπαταρίας εξαρτάται περισσότερο από τη δομή της καθόδου παρά από την τελειότητα του κρυστάλλου. Αν αυτή η τεχνολογία βρει ευρεία εφαρμογή, μπορεί να φέρει επανάσταση στα ηλεκτρικά οχήματα, κάνοντάς τα πιο αποδοτικά, με μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα και χωρίς να θυσιάζεται η ισχύς για χάρη της αντοχής.