Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κυριαρχούν σήμερα στον κόσμο της τεχνολογίας. Ωστόσο, αυτό ίσως να αλλάξει, χάρη σε δουλειά ερευνητών του Caltech, του Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA, του Honda Research Laboratory, του Lawrence Berkeley Laboratory και άλλων ιδρυμάτων, που ανέπτυξαν έναν τρόπο δημιουργίας επαναφορτιζόμενων μπαταριών με βάση την αρνητικά φορτισμένη μορφή (ανιόν) του φθορίου (fluoride).
«Οι μπαταρίες fluoride μπορούν να έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, που σημαίνει πως μπορούν να έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, μέχρι και οκτώ φορές πιο πολύ από τις μπαταρίες που χρησιμοποιούμε σήμερα» είπε ο Ρόμπερτ Γκραμπς, ένας από τους συντελεστές της έρευνας, που δημοσιεύτηκε στο Science. «Ωστόσο, μπορεί να αποτελέσει πρόκληση το να δουλεύεις με fluoride, ειδικά επειδή είναι πολύ διαβρωτικό και αντιδρά πολύ» ανέφερε.
Κατά τη δεκαετία του 1970, ερευνητές είχαν προσπαθήσει να δημιουργήσουν τέτοιες μπαταρίες με στέρεα συστατικά. Ωστόσο, οι μπαταρίες αυτές λειτουργούσαν μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες. Στη νέα μελέτη δείχνουν πώς μπορούν τέτοιου τύπου μπαταρίες να λειτουργήσουν, χρησιμοποιώντας υγρά συστατικά, οι οποίες μάλιστα το κάνουν σε θερμοκρασία δωματίου.
«Είμαστε ακόμα στα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης, αλλά αυτή είναι η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία fluoride που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου» είπε ο Σάιμον Τζόουνς, χημικός του JPL και corresponding author της νέας μελέτης.
Οι μπαταρίες παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέροντας φορτισμένα άτομα (ιόντα) μεταξύ θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου. Αυτή η διαδικασία μεταφοράς γίνεται καλύτερα σε θερμοκρασία δωματίου όταν εμπλέκονται υγρά. Στην περίπτωση των μπαταριών ιόντων λιθίου, το λίθιο μεταφέρεται μεταξύ των ηλεκτροδίων με τη βοήθεια υγρού διαλύματος (ηλεκτρολύτη). «Η επαναφόρτιση μιας μπαταρίας είναι σαν να σπρώχνεις μια μπάλα σε έναν λόφο και μετά να την αφήνεις να κυλήσει πίσω, ξανά και ξανά» είπε ο Τόμας Μίλερ, καθηγητής Χημείας στο Caltech, άλλος ένας εκ των συντελεστών της έρευνας. «Πηγαίνεις μπρος και πίσω, μεταξύ αποθήκευσης και χρήσης της ενέργειας» σημείωσε.
Ενώ τα ιόντα λιθίου είναι θετικά (κατιόντα), τα ιόντα fluoride που χρησιμοποιούνται στη νέα μελέτη έχουν αρνητικό φορτίο (ανιόντα). «Για μια μπαταρία που διαρκεί περισσότερο, πρέπει να μετακινείς μεγαλύτερο αριθμό φορτίων. Το να μεταφέρεις πολλαπλά φορτισμένα κατιόντα μετάλλων είναι δύσκολο, αλλά αντίστοιχο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί κινώντας αρκετά μεμονωμένα φορτισμένα ανιόντα, που ταξιδεύουν με σχετική ευκολία» είπε ο Τζόουνς, που κάνει έρευνες στο JPL σχετικά με πηγές ενέργειας για διαστημόπλοια. «Η πρόκληση εδώ είναι το σύστημα να λειτουργεί σε τάσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν πρακτικά» υπογράμμισε.
Το «κλειδί» της υπόθεσης ήταν ένα υγρό ηλεκτρολύτης, το BTFE, λύση την οποία σκέφτηκε μια ασκούμενη, η Βικτόρια Ντέιβις, που πλέον σπουδάζει στο University of North Carolina, Chapel Hill.
«Ξεκλειδώνουμε έναν νέο τρόπο δημιουργίας μπαταριών μεγαλύτερης διάρκειας ζωής. Το φθόριο κάνει comeback στις μπαταρίες» είπε χαρακτηριστικά ο Τζόουνς.
«Οι μπαταρίες fluoride μπορούν να έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα, που σημαίνει πως μπορούν να έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, μέχρι και οκτώ φορές πιο πολύ από τις μπαταρίες που χρησιμοποιούμε σήμερα» είπε ο Ρόμπερτ Γκραμπς, ένας από τους συντελεστές της έρευνας, που δημοσιεύτηκε στο Science. «Ωστόσο, μπορεί να αποτελέσει πρόκληση το να δουλεύεις με fluoride, ειδικά επειδή είναι πολύ διαβρωτικό και αντιδρά πολύ» ανέφερε.
Κατά τη δεκαετία του 1970, ερευνητές είχαν προσπαθήσει να δημιουργήσουν τέτοιες μπαταρίες με στέρεα συστατικά. Ωστόσο, οι μπαταρίες αυτές λειτουργούσαν μόνο σε υψηλές θερμοκρασίες. Στη νέα μελέτη δείχνουν πώς μπορούν τέτοιου τύπου μπαταρίες να λειτουργήσουν, χρησιμοποιώντας υγρά συστατικά, οι οποίες μάλιστα το κάνουν σε θερμοκρασία δωματίου.
«Είμαστε ακόμα στα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης, αλλά αυτή είναι η πρώτη επαναφορτιζόμενη μπαταρία fluoride που λειτουργεί σε θερμοκρασία δωματίου» είπε ο Σάιμον Τζόουνς, χημικός του JPL και corresponding author της νέας μελέτης.
Οι μπαταρίες παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέροντας φορτισμένα άτομα (ιόντα) μεταξύ θετικού και αρνητικού ηλεκτροδίου. Αυτή η διαδικασία μεταφοράς γίνεται καλύτερα σε θερμοκρασία δωματίου όταν εμπλέκονται υγρά. Στην περίπτωση των μπαταριών ιόντων λιθίου, το λίθιο μεταφέρεται μεταξύ των ηλεκτροδίων με τη βοήθεια υγρού διαλύματος (ηλεκτρολύτη). «Η επαναφόρτιση μιας μπαταρίας είναι σαν να σπρώχνεις μια μπάλα σε έναν λόφο και μετά να την αφήνεις να κυλήσει πίσω, ξανά και ξανά» είπε ο Τόμας Μίλερ, καθηγητής Χημείας στο Caltech, άλλος ένας εκ των συντελεστών της έρευνας. «Πηγαίνεις μπρος και πίσω, μεταξύ αποθήκευσης και χρήσης της ενέργειας» σημείωσε.
Ενώ τα ιόντα λιθίου είναι θετικά (κατιόντα), τα ιόντα fluoride που χρησιμοποιούνται στη νέα μελέτη έχουν αρνητικό φορτίο (ανιόντα). «Για μια μπαταρία που διαρκεί περισσότερο, πρέπει να μετακινείς μεγαλύτερο αριθμό φορτίων. Το να μεταφέρεις πολλαπλά φορτισμένα κατιόντα μετάλλων είναι δύσκολο, αλλά αντίστοιχο αποτέλεσμα μπορεί να επιτευχθεί κινώντας αρκετά μεμονωμένα φορτισμένα ανιόντα, που ταξιδεύουν με σχετική ευκολία» είπε ο Τζόουνς, που κάνει έρευνες στο JPL σχετικά με πηγές ενέργειας για διαστημόπλοια. «Η πρόκληση εδώ είναι το σύστημα να λειτουργεί σε τάσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν πρακτικά» υπογράμμισε.
Το «κλειδί» της υπόθεσης ήταν ένα υγρό ηλεκτρολύτης, το BTFE, λύση την οποία σκέφτηκε μια ασκούμενη, η Βικτόρια Ντέιβις, που πλέον σπουδάζει στο University of North Carolina, Chapel Hill.
«Ξεκλειδώνουμε έναν νέο τρόπο δημιουργίας μπαταριών μεγαλύτερης διάρκειας ζωής. Το φθόριο κάνει comeback στις μπαταρίες» είπε χαρακτηριστικά ο Τζόουνς.
