Η ανθρωπότητα εξαρτάται όλο και περισσότερο από τις μπαταρίες- και, ως εκ τούτου, αυξάνεται η ανάγκη και η ζήτηση για ασφαλή και αποδοτική τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας και εύρεση μιας αποτελεσματικής εναλλακτικής στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου, που αποτελούν την κυρίαρχη τεχνολογία στον χώρο εδώ και πολύ καιρό.
Σε αυτό το πλαίσιο, ερευνητές του Rensselaer Polytechnic Institute παρουσιάζουν σε επιστημονικό άρθρο στο Proceedings of the National Academy of Sciences πώς μπορεί να ξεπεραστεί μια γνωστή πρόκληση στον τομέα των μπαταριών μετάλλου, οι δενδρίτες, με το ίδιο καλές επιδόσεις με αυτές των μπαταριών ιόντων λιθίου, αλλά με βάση το ποτάσιο- ένα πολύ πιο άφθονο και φθηνό στοιχείο.
Οι μπαταρίες περιέχουν δύο ηλεκτρόδια, μια άνοδο και μια κάθοδο. Κατά κανόνα, σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, υπάρχει μια άνοδος από γραφίτη και μια κάθοδος από οξείδιο κοβαλτίου λιθίου. Κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση, τα ιόντα λιθίου ρέουν αμφίδρομα μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων.
Εάν οι ερευνητές αντικαθιστούσαν απλά το οξείδιο κοβαλτίου λιθίου με οξείδιο κοβαλτίου ποτασίου, οι επιδόσεις θα έπεφταν. Το ποτάσιο είναι ένα μεγαλύτερο και βαρύτερο στοιχείο και ως εκ τούτου λιγότερο πυκνό ενεργειακά. Αντ'αυτού η ομάδα του πανεπιστημίου επιδίωξε να βελτιώσει τις επιδόσεις του ποτασίου, αντικαθιστώντας και την άνοδο από γραφίτη.
«Από πλευράς επιδόσεις, αυτό θα ήταν αντάξιο μιας παραδοσιακής μπαταρίας ιόντων λιθίου» είπε ο Νικίλ Κορατκάρ, καθηγητής μηχανολογίας, αεροδιαστημικής και πυρηνικής μηχανικής στο Rensselaer και επικεφαλής συντάκτης του άρθρου αυτού.
Αν και οι μπαταρίες μετάλλου είναι πολλά υποσχόμενες, παραδοσιακά αντιμετώπιζαν το πρόβλημα της συσσώρευσης ποσοτήτων μετάλλου- δενδριτών- στην άνοδο. Οι δενδρίτες σχηματίζονται εξαιτίας της μη ομοιογενούς εναπόθεσης μετάλλου (ποτασίου), καθώς η μπαταρία περνά επανειλημμένους κύκλους φόρτισης και αποφόρτισης. Με το πέρασμα του χρόνου σχηματίζονται μακριά «κλαδιά» μετάλλου», τα οποία εμποδίζουν τη σωστή λειτουργία της μπαταρίας και αυξάνοντας τον κίνδυνο φωτιάς.
Οι ερευνητές εξηγούν στο paper τους πώς η λύση τους ανοίγει τον δρόμο για πρακτική, καταναλωτική χρήση: Λειτουργώντας τη μπαταρία σε χαμηλό ρυθμό φόρτισης και αποφόρτισης, μπορούν να αυξάνουν τη θερμοκρασία εντός της μπαταρίας με καλά ελεγχόμενο τρόπο, κάνοντας τους δενδρίτες να αυτοθεραπεύονται στην άνοδο. Ο Κορατκάρ συγκρίνει τη διαδικασία αυτή με αυτό που συμβαίνει σε ένα σωρό χιονιού αφού τελειώσει μια θύελλα: Ο άνεμος και ο ήλιος βοηθούν να απομακρύνονται οι χιονονιφάδες, με αποτέλεσμα τη συρρίκνωση και εν τέλει την ισοπέδωσή του. Αντίστοιχα, ενώ η θερμοκρασία μέσα στη μπαταρία δεν λιώνει το ποτάσιο, βοηθά να ενεργοποιούνται διαδικασίες έτσι ώστε ώστε τα άτομα ποτασίου να φεύγουν από τη «στοίβα» που έχουν δημιουργήσει, ομαλοποιώντας τον δεδρίτη.
«Οι μπαταρίες μετάλλου είναι ο πιο αποδοτικός τρόπος να φτιάξεις μια μπαταρία, ωστόσο εξαιτίας του προβλήματος των δενδριτών μπορεί να μην ήταν βιώσιμες. Με το ποτάσιο έχω περισσότερες ελπίδες» είπε ο Κορατκάρ.
Σε αυτό το πλαίσιο, ερευνητές του Rensselaer Polytechnic Institute παρουσιάζουν σε επιστημονικό άρθρο στο Proceedings of the National Academy of Sciences πώς μπορεί να ξεπεραστεί μια γνωστή πρόκληση στον τομέα των μπαταριών μετάλλου, οι δενδρίτες, με το ίδιο καλές επιδόσεις με αυτές των μπαταριών ιόντων λιθίου, αλλά με βάση το ποτάσιο- ένα πολύ πιο άφθονο και φθηνό στοιχείο.
Οι μπαταρίες περιέχουν δύο ηλεκτρόδια, μια άνοδο και μια κάθοδο. Κατά κανόνα, σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, υπάρχει μια άνοδος από γραφίτη και μια κάθοδος από οξείδιο κοβαλτίου λιθίου. Κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση, τα ιόντα λιθίου ρέουν αμφίδρομα μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων.
Εάν οι ερευνητές αντικαθιστούσαν απλά το οξείδιο κοβαλτίου λιθίου με οξείδιο κοβαλτίου ποτασίου, οι επιδόσεις θα έπεφταν. Το ποτάσιο είναι ένα μεγαλύτερο και βαρύτερο στοιχείο και ως εκ τούτου λιγότερο πυκνό ενεργειακά. Αντ'αυτού η ομάδα του πανεπιστημίου επιδίωξε να βελτιώσει τις επιδόσεις του ποτασίου, αντικαθιστώντας και την άνοδο από γραφίτη.
«Από πλευράς επιδόσεις, αυτό θα ήταν αντάξιο μιας παραδοσιακής μπαταρίας ιόντων λιθίου» είπε ο Νικίλ Κορατκάρ, καθηγητής μηχανολογίας, αεροδιαστημικής και πυρηνικής μηχανικής στο Rensselaer και επικεφαλής συντάκτης του άρθρου αυτού.
Αν και οι μπαταρίες μετάλλου είναι πολλά υποσχόμενες, παραδοσιακά αντιμετώπιζαν το πρόβλημα της συσσώρευσης ποσοτήτων μετάλλου- δενδριτών- στην άνοδο. Οι δενδρίτες σχηματίζονται εξαιτίας της μη ομοιογενούς εναπόθεσης μετάλλου (ποτασίου), καθώς η μπαταρία περνά επανειλημμένους κύκλους φόρτισης και αποφόρτισης. Με το πέρασμα του χρόνου σχηματίζονται μακριά «κλαδιά» μετάλλου», τα οποία εμποδίζουν τη σωστή λειτουργία της μπαταρίας και αυξάνοντας τον κίνδυνο φωτιάς.
Οι ερευνητές εξηγούν στο paper τους πώς η λύση τους ανοίγει τον δρόμο για πρακτική, καταναλωτική χρήση: Λειτουργώντας τη μπαταρία σε χαμηλό ρυθμό φόρτισης και αποφόρτισης, μπορούν να αυξάνουν τη θερμοκρασία εντός της μπαταρίας με καλά ελεγχόμενο τρόπο, κάνοντας τους δενδρίτες να αυτοθεραπεύονται στην άνοδο. Ο Κορατκάρ συγκρίνει τη διαδικασία αυτή με αυτό που συμβαίνει σε ένα σωρό χιονιού αφού τελειώσει μια θύελλα: Ο άνεμος και ο ήλιος βοηθούν να απομακρύνονται οι χιονονιφάδες, με αποτέλεσμα τη συρρίκνωση και εν τέλει την ισοπέδωσή του. Αντίστοιχα, ενώ η θερμοκρασία μέσα στη μπαταρία δεν λιώνει το ποτάσιο, βοηθά να ενεργοποιούνται διαδικασίες έτσι ώστε ώστε τα άτομα ποτασίου να φεύγουν από τη «στοίβα» που έχουν δημιουργήσει, ομαλοποιώντας τον δεδρίτη.
«Οι μπαταρίες μετάλλου είναι ο πιο αποδοτικός τρόπος να φτιάξεις μια μπαταρία, ωστόσο εξαιτίας του προβλήματος των δενδριτών μπορεί να μην ήταν βιώσιμες. Με το ποτάσιο έχω περισσότερες ελπίδες» είπε ο Κορατκάρ.
