Οι μπαταρίες λιθίου-θείου θεωρούνται ως το επόμενο μεγάλο βήμα στην τεχνολογία των μπαταριών και υπόσχονται σημαντικά μεγαλύτερη διάρκεια χρήσης για τα πάντα, από τα κινητά τηλέφωνα έως τα ηλεκτρικά οχήματα με μία μόνο φόρτιση. Παράλληλα είναι πιο περιβαλλοντικά βιώσιμες στην παραγωγή σε σχέση με τις υπάρχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Ωστόσο, αυτές οι μπαταρίες δεν έχουν διάρκεια ζωής όσο οι αντίστοιχες μπαταρίες ιόντων λιθίου, υποβαθμίζονται με την πάροδο του χρόνου.
Μια ομάδα ερευνητών του Cockrell School of Engineering στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν βρήκε έναν τρόπο για να σταθεροποιήσει ένα από τα πιο δύσκολα μέρη των μπαταριών λιθίου-θείου, φέρνοντας την τεχνολογία αυτή πιο κοντά στο να γίνει εμπορικά βιώσιμη.
Τα ευρήματα της ομάδας, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Joule, δείχνουν ότι η δημιουργία ενός τεχνητού στρώματος που περιέχει τελλούριο, μέσα στην μπαταρία, πάνω από το λίθιο, μπορεί να προκαλέσει διάρκεια ζωής τέσσερις φορές μεγαλύτερη.
“Το θείο είναι άφθονο στη φύση και φιλικό προς το περιβάλλον χωρίς προβλήματα στην αλυσίδα εφοδιασμού στις ΗΠΑ”, δήλωσε ο Arumugam Manthiram, καθηγητής της σχολής μηχανολόγων μηχανικών και διευθυντής του Texas Materials Institute. “Αλλά υπάρχουν τεχνικές προκλήσεις. Μειώσαμε ένα πρόβλημα σχετικά με την παράταση της διάρκειας ζωής αυτών των μπαταριών.”
Το λίθιο είναι ένα αντιδραστικό στοιχείο που τείνει να διαλύει άλλα στοιχεία γύρω του. Κάθε κύκλος μιας μπαταρίας λιθίου-θείου – δηλαδή η διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης της – μπορεί να προκαλέσει σχηματισμούς «βρώμικων», βελόνων που μοιάζουν με τη βελόνα στην μεταλλική άνοδο του λιθίου, το αρνητικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας. Οι εναποθέσεις αυτές είναι γνωστές και με την ονομασία δενδρίτες. Αυτή η διεργασία ξεκινά μια αντίδραση που μπορεί να οδηγήσει στη συνολική υποβάθμιση της μπαταρίας.
Οι εναποθέσεις αυτές διαλύουν τον ηλεκτρολύτη που μεταφέρει τα ιόντα λιθίου. Αυτό μπορεί να παγιδεύσει μέρος του λιθίου, αποτρέποντας το ηλεκτρόδιο από την παροχή της πλήρους ισχύος που απαιτείται για την εξαιρετικά μακρά χρήση που υπόσχεται αυτή η τεχνολογία. Η αντίδραση μπορεί επίσης να προκαλέσει βραχυκύκλωμα της μπαταρίας και ενδεχομένως πυρκαγιά.
Το τεχνητό στρώμα που σχηματίζεται στο ηλεκτρόδιο λιθίου προστατεύει τον ηλεκτρολύτη από την υποβάθμιση και μειώνει το σχηματισμό των δομών που παγιδεύουν το λίθιο κατά τη διάρκεια των φορτίσεων.
«Το στρώμα που σχηματίζεται στην επιφάνεια του λιθίου του επιτρέπει να λειτουργεί χωρίς να διασπά τον ηλεκτρολύτη και αυτό κάνει τη μπαταρία να διαρκεί πολύ περισσότερο», δήλωσε ο Amruth Bhargav, ο οποίος, μαζί με τον μεταπτυχιακό φοιτητή Sanjay Nanda, συνέγραψε τη δημοσίευση.
Ο Manthiram πρόσθεσε ότι αυτή η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες μπαταρίες λιθίου και νατρίου. Οι ερευνητές έχουν υποβάλει προσωρινή αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για αυτήν την τεχνολογία.
«Το σταθεροποιητικό στρώμα σχηματίζεται από μια απλή επιτόπια διαδικασία και δεν απαιτεί καμία δαπανηρή ή περίπλοκη διαδικασία προεπεξεργασίας ή επικάλυψης στην άνοδο του μετάλλου λιθίου», δήλωσε ο Nanda.
Η επίλυση της αστάθειας αυτού του τμήματος της μπαταρίας είναι το κλειδί για την παράταση της διάρκειας του κύκλους ζωής της και την ευρύτερη υιοθέτηση. Ο Manthiram είπε ότι οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι προς το παρόν πιο κατάλληλες για συσκευές που χρειάζονται ελαφριές μπαταρίες και μπορούν να λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα με μία μόνο φόρτιση και δεν απαιτούν μεγάλο αριθμό κύκλων φόρτισης, όπως είναι τα drones. Αλλά έχουν τη δυνατότητα να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην επέκταση της αυτονομίας των ηλεκτρικών οχημάτων και στην αύξηση της υιοθέτησης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Τόσο τα θετικά όσο και τα αρνητικά ηλεκτρόδια στις μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν 10 φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα φόρτισης από τα υλικά που χρησιμοποιούνται στις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου, δήλωσε ο Manthiram, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να προσφέρουν πολύ περισσότερη χρήση με μία μόνο φόρτιση. Το θείο διατίθεται ευρέως ως υποπροϊόν της βιομηχανίας πετρελαίου και φυσικού αερίου, καθιστώντας τις μπαταρίες φθηνές στην παραγωγή. Το θείο είναι επίσης πιο φιλικό προς το περιβάλλον από τα μεταλλικά οξείδια που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Του Αργύρη Κοτσιλιέρη
Πηγή: Πανεπιστήμιο του Τέξας
