Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θεωρούνται εδώ και χρόνια το «ιερό δισκοπότηρο» της ενεργειακής αποθήκευσης, καθώς υπόσχονται υψηλότερη πυκνότητα ενέργειας, μεγαλύτερη ασφάλεια και καλύτερη αντοχή από τις σημερινές ιόντων λιθίου. Ωστόσο, η παραγωγή τους παραμένει περίπλοκη και ακριβή, εμποδίζοντας τη μαζική τους διάδοση.
Ερευνητές από το Tohoku University στην Ιαπωνία δημοσίευσαν τώρα μια μελέτη στο περιοδικό Small που θα μπορούσε να αλλάξει τους κανόνες του παιχνιδιού: ανακάλυψαν ότι δύο τεχνικές συμπίεσης υπό πίεση, το hot pressing (HP) και το spark plasma sintering (SPS), προσφέρουν ισοδύναμα αποτελέσματα στην κατασκευή κεραμικών ηλεκτρολυτών για τις μπαταρίες του μέλλοντος, μειώνοντας δραστικά τον χρόνο και το κόστος παραγωγής.
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, και ιδιαίτερα οι μετάλλου λιθίου (SSLMB), τραβούν το ενδιαφέρον εταιρειών και ερευνητικών εργαστηρίων παγκοσμίως. Αντί για υγρούς, εύφλεκτους ηλεκτρολύτες όπως στις συμβατικές μπαταρίες, χρησιμοποιούν στερεά υλικά, εξαλείφοντας τον κίνδυνο διαρροών ή πυρκαγιών. Παρά τα πλεονεκτήματά τους, η μαζική παραγωγή τους έχει σκοντάψει σε ένα σημαντικό εμπόδιο: την κατασκευή λεπτών, ομοιογενών και χωρίς ατέλειες μεμβρανών, που λειτουργούν ως στερεοί ηλεκτρολύτες. Η διαδικασία αυτή απαιτεί συνήθως υψηλές θερμοκρασίες, μακρούς χρόνους σύντηξης και εξοπλισμό μεγάλης κατανάλωσης ενέργειας — παράγοντες που αυξάνουν το κόστος και δυσκολεύουν την εμπορική αξιοποίηση.
Η μελέτη του Tohoku επικεντρώνεται σε ένα υλικό που έχει ήδη προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας: το οξείδιο Li7La3Zr2O12, γνωστό ως LLZO. Το LLZO συνδυάζει εξαιρετική ιοντική αγωγιμότητα με χημική σταθερότητα, χαρακτηριστικά που το καθιστούν ιδανικό για χρήση σε solid-state ηλεκτρολύτες. Ωστόσο, η παρασκευή του είναι απαιτητική: χρειάζεται παρατεταμένη σύντηξη σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 1.000°C, με κίνδυνο εξάτμισης του λιθίου, ένα φαινόμενο που μπορεί να αλλοιώσει τη δομή του υλικού και να εκτοξεύσει το κόστος.
Για να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια, οι Ιάπωνες ερευνητές αποφάσισαν να συγκρίνουν δύο δημοφιλείς μεθόδους συμπίεσης υπό πίεση. Το hot pressing χρησιμοποιεί θερμότητα και μηχανική πίεση για να συμπυκνώσει το υλικό, ενώ το spark plasma sintering προσθέτει ηλεκτρικές εκκενώσεις που, θεωρητικά, επιταχύνουν τη διαδικασία. Η ομάδα του Tohoku μέτρησε τα αποτελέσματα και στα δύο συστήματα και βρήκε ότι η πυκνότητα του υλικού έφτασε σχεδόν το 98% μέσα σε λιγότερο από πέντε λεπτά, μια εντυπωσιακή βελτίωση σε σχέση με τις ώρες ή μέρες που απαιτούνταν παραδοσιακά.
Το πιο ενδιαφέρον σημείο της μελέτης είναι ότι και οι δύο τεχνικές απέδωσαν σχεδόν ταυτόσημα αποτελέσματα: η μικροδομή και η ιοντική αγωγιμότητα του LLZO παρέμειναν αμετάβλητες, ανεξαρτήτως μεθόδου. Με άλλα λόγια, το spark plasma sintering δεν αποδείχθηκε ανώτερο, παρά την ευρέως διαδεδομένη άποψη ότι διαθέτει ένα «πλεονέκτημα πλάσματος» που επιταχύνει την πυκνοποίηση.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι το SPS δεν είναι εγγενώς ανώτερο», εξηγεί ο καθηγητής Cheng, ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Η διαδικασία βασίζεται στον συνδυασμό θερμότητας και πίεσης — όπως ακριβώς και το hot pressing. Η επιλογή της μεθόδου, λοιπόν, μπορεί να γίνει με κριτήρια καθαρά οικονομικά και πρακτικά, όχι στηριζόμενη σε τεχνολογικούς μύθους».
Αυτό το εύρημα έχει πρακτικές συνέπειες για τη βιομηχανία των μπαταριών, η οποία συχνά διστάζει να επενδύσει σε πολύπλοκες και δαπανηρές τεχνολογίες παραγωγής. Αν το hot pressing μπορεί να αποδώσει ισοδύναμα αποτελέσματα χωρίς εξειδικευμένο εξοπλισμό, τότε η διαδικασία κατασκευής solid-state ηλεκτρολυτών μπορεί να γίνει πιο προσιτή για μαζική παραγωγή. Για πολλές εταιρείες, αυτό σημαίνει μείωση κόστους, εξοικονόμηση χρόνου και ευκολότερη ενσωμάτωση των νέων μπαταριών στις υπάρχουσες γραμμές παραγωγής.
Η μελέτη αμφισβητεί έτσι ένα από τα βασικά «δόγματα» του τομέα: ότι μόνο οι πιο προηγμένες ή ενεργοβόρες τεχνικές μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλής ποιότητας solid-state υλικά. Οι ερευνητές του Tohoku υποστηρίζουν πως η ουσία βρίσκεται όχι στην πολυπλοκότητα της μεθόδου, αλλά στην ακρίβεια του ελέγχου θερμότητας και πίεσης, παράγοντες που μπορούν να επιτευχθούν με πιο προσιτά μέσα.
Το επόμενο βήμα θα είναι η αξιολόγηση της απόδοσης αυτών των ηλεκτρολυτών μέσα σε πραγματικά πρωτότυπα solid-state κυψελών. Αν τα αποτελέσματα επιβεβαιωθούν, η τεχνολογία θα μπορούσε να επιταχύνει την έλευση των νέων γενεών μπαταριών για ηλεκτρικά οχήματα, φορητές συσκευές και συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.
[source]
