Ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ ανακάλυψαν μια καινοτόμο λύση για ένα από τα πιο επίμονα προβλήματα στις μπαταρίες επόμενης γενιάς, ανοίγοντας τον δρόμο για ασφαλέστερα και ισχυρότερα ηλεκτρικά οχήματα.
Στην κούρσα για την επικράτηση στην τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας, οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου στερεάς κατάστασης (solid-state batteries) θεωρούνται εδώ και καιρό ως η ιδανική διάδοχος των σημερινών μπαταριών ιόντων λιθίου. Υπόσχονται μεγαλύτερη αυτονομία, ταχύτερη φόρτιση και βελτιωμένη ασφάλεια, καθώς αντικαθιστούν τον εύφλεκτο υγρό ηλεκτρολύτη με ένα στερεό κεραμικό υλικό. Ωστόσο, η πρακτική εφαρμογή τους σκόνταφτε πάντα σε ένα θεμελιώδες εμπόδιο: την εύθραυστη φύση τους.
Οι στερεοί ηλεκτρολύτες, συνήθως κατασκευασμένοι από κεραμικά υλικά, τείνουν να εμφανίζουν μικροσκοπικές ρωγμές κατά τη χρήση. Μέσα σε αυτές τις ρωγμές εισχωρεί το λίθιο, δημιουργώντας δενδρίτες — μικρές μεταλλικές διακλαδώσεις που τελικά προκαλούν βραχυκύκλωμα και καταστρέφουν την μπαταρία. Μέχρι σήμερα, η αντιμετώπιση αυτών των μικρο-ρωγμών φάνταζε αδύνατη σε βιομηχανική κλίμακα.
Η λύση των 3 νανομέτρων
Μια ομάδα μηχανικών και επιστημόνων υλικών από το Πανεπιστήμιο Στάνφορντ φαίνεται πως βρήκε την απάντηση σε μια απροσδόκητα λεπτή επίστρωση αργύρου. Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στo έγκριτο επιστημονικό περιοδικό Nature Materials, η ερευνητική ομάδα παρουσίασε μια μέθοδο που ενισχύει δραματικά την αντοχή των κεραμικών ηλεκτρολυτών.
Η τεχνική περιλαμβάνει την εφαρμογή ενός στρώματος αργύρου πάχους μόλις 3 νανομέτρων στην επιφάνεια του ηλεκτρολύτη (μιας κεραμικής ένωσης γνωστής ως LLZO). Στη συνέχεια, το υλικό υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία στους 300 βαθμούς Κελσίου. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα άτομα αργύρου διαχέονται στο κρυσταλλικό πλέγμα του κεραμικού, αντικαθιστώντας άτομα λιθίου σε βάθος 20 έως 50 νανομέτρων.
Το αποτέλεσμα είναι εντυπωσιακό: η κατεργασμένη επιφάνεια γίνεται πέντε φορές πιο ανθεκτική στις μηχανικές πιέσεις και τις ρωγμές σε σύγκριση με τα συμβατικά υλικά.
Ιόντα αντί για μέταλλο
Το κλειδί της επιτυχίας δεν βρίσκεται απλώς στην παρουσία του αργύρου, αλλά στη μορφή του. Σε αντίθεση με προηγούμενες προσπάθειες που χρησιμοποιούσαν μεταλλικό άργυρο, η ομάδα του Στάνφορντ πέτυχε να ενσωματώσει τον άργυρο ως θετικά φορτισμένα ιόντα (Ag+).
«Η μελέτη μας δείχνει ότι η ενίσχυση με άργυρο σε νανοκλίμακα μπορεί να αλλάξει θεμελιωδώς τον τρόπο με τον οποίο ξεκινούν και εξαπλώνονται οι ρωγμές στην επιφάνεια του ηλεκτρολύτη», εξηγεί ο Xin Xu, επικεφαλής της έρευνας και επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.
Τα ιόντα αργύρου λειτουργούν ως «ασπίδα». Όχι μόνο σκληραίνουν το κεραμικό υλικό, αλλά σε περίπτωση που υπάρχει ήδη κάποια ατέλεια στην επιφάνεια, εμποδίζουν τα άτομα λιθίου να εισχωρήσουν και να διευρύνουν τη ρωγμή. Αυτό είναι ιδιαίτερα κρίσιμο κατά την ταχεία φόρτιση, μια διαδικασία που ασκεί μεγάλες πιέσεις στο υλικό και συνήθως επιταχύνει τη φθορά του.
Η Wendy Gu, αναπληρώτρια καθηγήτρια μηχανολογίας στο Στάνφορντ, παρομοιάζει το πρόβλημα με τα κεραμικά πιάτα στο σπίτι μας, τα οποία συχνά έχουν αόρατες ρωγμές στην επιφάνεια.
Η κατασκευή ενός ηλεκτρολύτη χωρίς καμία απολύτως ατέλεια θα ήταν εξαιρετικά δαπανηρή και πρακτικά αδύνατη σε μαζική παραγωγή. Αντί να προσπαθούμε να φτιάξουμε το τέλειο υλικό, αποφασίσαμε ότι μια προστατευτική επιφάνεια είναι μια πιο ρεαλιστική προσέγγιση. Και λίγος άργυρος φαίνεται να κάνει εξαιρετική δουλεια.
Πέρα από το εργαστήριο
Η ανακάλυψη αυτή δεν αφορά μόνο τη θεωρία. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εξειδικευμένους ανιχνευτές εντός ηλεκτρονικών μικροσκοπίων για να μετρήσουν τη δύναμη που απαιτείται για να σπάσει η επιφάνεια του ηλεκτρολύτη, επιβεβαιώνοντας την πενταπλάσια αντοχή του νέου υλικού.
Το επόμενο βήμα για την ερευνητική ομάδα είναι η δοκιμή της τεχνολογίας σε πλήρεις κυψέλες μπαταριών και σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Πρέπει να αποδειχθεί ότι η επίστρωση διατηρεί τις ιδιότητές της μετά από χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης και ότι μπορεί να ενσωματωθεί στη γραμμή παραγωγής χωρίς απαγορευτικό κόστος.
Επιπλέον, η μεθοδολογία αυτή θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε άλλους τύπους κεραμικών υλικών ή ακόμα και σε μπαταρίες νατρίου, οι οποίες κερδίζουν έδαφος ως μια πιο οικονομική εναλλακτική λύση έναντι του λιθίου. Η ομάδα εξετάζει επίσης τη χρήση άλλων μετάλλων, όπως ο χαλκός, που θα μπορούσαν να προσφέρουν παρόμοια οφέλη με χαμηλότερο κόστος.
