Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ ανέπτυξαν μια νέα μπαταρία στερεάς κατάστασης που μπορεί να επαναφορτιστεί σε 10 λεπτά. Οι ερευνητές της Σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Χάρβαρντ John A. Paulson (SEAS) υποστηρίζουν πως η μπαταρία μπορεί να φορτιστεί και να αποφορτιστεί περισσότερες από 6.000 φορές, διατηρώντας το 80% της χωρητικότητάς της, ξεπερνώντας τις άλλες μπαταρίες που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά.
Η έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature Materials περιγράφει έναν νέο τρόπο κατασκευής μπαταριών στερεάς κατάστασης με άνοδο λιθίου. Ο Xin Li, Αναπληρωτής Καθηγητής Επιστήμης Υλικών στο SEAS και ανώτερος συγγραφέας της εργασίας δήλωσε:
Οι μπαταρίες ανόδου μετάλλου λιθίου θεωρούνται το ιερό δισκοπότηρο των μπαταριών επειδή έχουν δέκα φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα από τις εμπορικές μπαταρίες με ανόδους γραφίτη και θα μπορούσαν να αυξήσουν δραστικά την απόσταση οδήγησης των ηλεκτρικών οχημάτων.
Η έρευνά μας είναι ένα σημαντικό βήμα προς πιο πρακτικές μπαταρίες στερεάς κατάστασης για βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές.
Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στο σχεδιασμό μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι ο σχηματισμός δενδριτών στην επιφάνεια της ανόδου. Οι δενδρίτες είναι συγκεντρώσεις-κρυσταλλώδεις μάζες λιθίου με σχήμα που παραπέμπει σε ρίζες δέντρου, που σχηματίζονται στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας. Αν γεφυρώσουν την άνοδο με την κάθοδο και προκαλέσουν βραχυκύκλωμα, η μπαταρία μπορεί να πάψει να λειτουργεί, να πιάσει φωτιά ή ακόμα και να εκραγεί.
Αυτοί οι δενδρίτες σχηματίζονται όταν τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη φόρτιση, προσκολλώνται στην επιφάνεια της ανόδου σε μια διαδικασία που ονομάζεται επιμετάλλωση. Η επίστρωση στην άνοδο δημιουργεί μια ανώμαλη, μη ομοιογενή επιφάνεια, όπως η πλάκα στα δόντια, και επιτρέπει στους δενδρίτες να ριζώσουν. Όταν αποφορτιστεί, αυτή η επικάλυψη που μοιάζει με πλάκα πρέπει να αφαιρεθεί από την άνοδο και όταν η επιμετάλλωση είναι ανομοιόμορφη, η διαδικασία απογύμνωσης μπορεί να είναι αργή και να οδηγήσει σε πτυχές που προκαλούν ακόμη πιο ανομοιόμορφη επιμετάλλωση στην επόμενη φόρτιση.
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν ένα στερεό υλικό για να επιτρέπουν στην ενέργεια να ρέει από την κάθοδο στην άνοδο, αντί για τις παραδοσιακές κυψέλες ιόντων λιθίου, που χρησιμοποιούν ένα υγρό διάλυμα ηλεκτρολύτη. Μέχρι σήμερα η τεχνολογία στερεάς κατάστασης αντιμετώπιζε προβλήματα λόγω των πολύπλοκων διαδικασιών κατασκευής της, ενώ οι ερευνητές δεν μπορούσαν να βρουν ιδανικές λύσεις για το υλικό που θα χρησιμοποιούσαν στις μπαταρίες.
Η μπαταρία του πανεπιστημίου του Χάρβαρντ χρησιμοποιεί μια νέα τεχνολογία που αποτρέπει το σχηματισμό δενδρίτη στις ανόδους λιθίου-μετάλλου. Ο καινοτόμος ηλεκτρολύτης στερεάς κατάστασης είναι απαραίτητος για αυτήν την τεχνολογία, επιτρέποντάς του να επιτυγχάνει εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ρεύματος χωρίς διείσδυση δενδρίτη λιθίου.
Οι ερευνητές κατάφεραν να σταματήσουν τον σχηματισμό δενδριτών χρησιμοποιώντας σωματίδια πυριτίου μεγέθους μικρού στην άνοδο για να μειώσουν την αντίδραση λιθίωσης και να διευκολύνουν την ομοιογενή επίστρωση ενός παχύ στρώματος μετάλλου λιθίου. Τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη φόρτιση, η αντίδραση λιθίωσης συστέλλεται στη ρηχή επιφάνεια και τα ιόντα προσκολλώνται στην επιφάνεια του σωματιδίου πυριτίου, αλλά δεν διεισδύουν περαιτέρω. Αυτό διαφέρει σημαντικά από τη χημεία των μπαταριών υγρών ιόντων λιθίου στις οποίες τα ιόντα λιθίου διεισδύουν μέσω της βαθιάς αντίδρασης λιθίωσης και τελικά καταστρέφουν τα σωματίδια πυριτίου στην άνοδο.
Όμως, σε μια μπαταρία στερεάς κατάστασης, τα ιόντα στην επιφάνεια του πυριτίου συστέλλονται και υφίστανται τη δυναμική διαδικασία λιθίωσης για να σχηματίσουν μεταλλική επένδυση λιθίου γύρω από τον πυρήνα του πυριτίου. Αυτά τα επικαλυμμένα σωματίδια δημιουργούν μια ομοιογενή επιφάνεια στην οποία η πυκνότητα του ρεύματος κατανέμεται ομοιόμορφα, εμποδίζοντας την ανάπτυξη δενδριτών. Και, επειδή η επιμετάλλωση και η απογύμνωση μπορούν να γίνουν γρήγορα σε επίπεδη επιφάνεια, η μπαταρία μπορεί να επαναφορτιστεί σε μόλις 10 λεπτά περίπου.
Οι ερευνητές κατασκεύασαν μια έκδοση της μπαταρίας σε μέγεθος ταχυδρομικής σφραγίδας, η οποία είναι 10 έως 20 φορές μεγαλύτερη από τις αντίστοιχες που κατασκευάζουν τα περισσότερα πανεπιστημιακά εργαστήρια.
Το Γραφείο Ανάπτυξης Τεχνολογίας του Χάρβαρντ έδωσε άδεια χρήσης για την τεχνολογία στην Adden Energy , μια εταιρεία του Χάρβαρντ που ιδρύθηκε από τον Li και τρεις απόφοιτους του Χάρβαρντ. Η Adden Energy έχει κλιμακώσει την τεχνολογία για την κατασκευή μιας μπαταρίας σε μέγεθος smartphone.
Ο Li και η ομάδα του χαρακτήρισαν επίσης τις ιδιότητες που επιτρέπουν στο πυρίτιο να περιορίζει τη διάχυση του λιθίου για να διευκολύνει τη δυναμική διαδικασία, ευνοώντας την ομοιογενή επιμετάλλωση παχύρρευστου λιθίου. Στη συνέχεια όρισαν έναν μοναδικό περιγραφέα ιδιοτήτων για να περιγράψουν μια τέτοια διαδικασία και τον υπολόγισαν για όλα τα γνωστά ανόργανα υλικά. Με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα αποκάλυψε δεκάδες άλλα υλικά που θα μπορούσαν ενδεχομένως να αποδώσουν παρόμοια απόδοση.
Προηγούμενη έρευνα είχε βρει ότι άλλα υλικά, συμπεριλαμβανομένου του ασημιού, θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως καλά υλικά στην άνοδο για μπαταρίες στερεάς κατάστασης.
Η έρευνά μας εξηγεί έναν πιθανό υποκείμενο μηχανισμό της διαδικασίας και παρέχει ένα μονοπάτι για τον εντοπισμό νέων υλικών για το σχεδιασμό των μπαταριών,
ανέφερε ο Xin Li.