Αναμείνατε ολίγον τι
Τεχνολογία

Ασφαλτο-στρώνοντας τον δρόμο για καινούριες μπαταρίες Λιθίου

new batteries with more capacity using asphalt

Οι περισσότερες από τις μπαταρίες που χρησιμοποιούμε, από το κινητό και το laptop, μέχρι τα αυτοκίνητα, βασίζονται στην χρήση των ιόντων Λιθίου. Λογικό ακόλουθο είναι ότι η χωρητικότητα τους είναι ανάλογη με το πόσο Λίθιο μπορούμε να χωρέσουμε μέσα σε δεδομένο όγκο. Προφανώς, αν χρησιμοποιήσουμε ένα ηλεκτρόδιο καθαρού Λιθίου, θα έχουμε την καλύτερη δυνατή πυκνότητα.

 

Αλλά δεν υπάρχει τρόπος να ελέγξουμε το που καταλήγει το Λίθιο όταν μια μπαταρία βρίσκεται στη διαδικασία φόρτισης – αποφόρτισης. Το σύνηθες αποτέλεσμα είναι να δημιουργούνται μεταλλικές ραβδώσεις που βραχυκυκλώνουν όλο το σύστημα.

 

Έχοντας αυτό το πρόβλημα να αντιμετωπίσουν οι επιστήμονες, έχει γίνει μεγάλη προσπάθεια ώστε να βρεθούν άλλα υλικά που μπορούν να περικλείσουν  Λίθιο μέσα στην δομή τους.

 

Αυτό μειώνει το συνολικό ποσοστό Λιθίου που περιέχεται αλλά διαφυλάσσει την μπαταρία από το να βραχυκυκλώσει.

 

Τα πράγματα έρχεται να τα αλλάξει μια καινούρια έρευνα όμως. Οι ερευνητές προτείνουν μία ενδιαφέρουσα εναλλακτική, όπου περιγράφουν ένα υλικό στο οποίο χωρίς καμία αμφιβολία το λίθιο δημιουργεί μια λεία επίστρωση πάνω στην επιφάνεια του.

 

Η ερώτηση όμως συνεχίζει να είναι: τι θα μπορούσε να έχει τέτοιες ιδιότητες; Μια ελαφρώς τροποποιημένη έκδοση της γνωστής ασφάλτου.

Αν και ο όρος “άσφαλτος” περιγράφει κατά κύριο λόγο αυτή την μαύρη στρώση που βλέπουμε στους δρόμους, έχει και μια τεχνική σημασία: ένα ιξώδες, ημίρευστο υγρό υδρογονάνθρακα που ένα από τα συστατικά του είναι και το υλικό που φτιάχνουμε τους δρόμους. Υπάρχουν αρκετά είδη ασφάλτου, αλλά η συγκεκριμένη ομάδα δούλεψε με αυτή που λέγεται gilsonite,που είναι αρκετά κοντά στο να έχει στερεή μορφή. Όπως και άλλοι υδρογονάνθρακες, είναι ένα περίπλοκο μείγμα μορίων αντί για μια καθαρή ουσία, και περιέχει άζωτο και θείο αφού προέρχεται από βιολογικό υλικό.

 

Η χρήση της ασφάλτου στις μπαταρίες δεν είναι και τόσο εξωφρενική ιδέα, αφού ήδη χρησιμοποιούνται διάφορα είδη άνθρακα ως ηλεκτρόδια. Πολλοί τύποι άνθρακα … και σχηματίζουν … υλικά που μπορούν να αποθηκεύσουν ένα μεγάλο όγκο ιόντων στο εσωτερικό τους. Αλλά όπως αναφέραμε και πιο πάνω,  η ομάδα πίσω από αυτή την δουλειά (..) δεν προσπάθησε να αποθηκεύσει το λίθιο μέσα στην άσφαλτο, αλλά είχαν την ελπίδα ότι η άσφαλτος θα δημιουργούσε μια επίστρωση λιθίου στην επιφάνεια της.

 

Οι ερευνητές για την προετοιμασία της ασφάλτου, θερμαίνοντας την κατάφεραν να απαλλαγούν από τους περισσότερους ελαφρούς υδρογονάνθρακες και έπειτα πέρασαν τα βαρύτερα υλικά με ένα δυνατό βασικό διάλυμα (potassium hydroxide). Όταν επανήλθε στην στερεή του κατάσταση, πήρε την μορφή ενός πορώδους υλικού που θυμίζει σφουγγάρι αλλά με περισσότερους πόρους – εκτιμάται ότι περισσότερα από 3.000 τετραγωνικά μέτρα αντιστοιχούν σε ένα γραμμάριο του υλικού. Η τελευταία διεργασία με το βασικό διάλυμα μετέτρεψε επίσης την χημική δομή των υδρογονανθράκων στην επιφάνεια του υλικού, συνδέοντας κάποια μόρια άνθρακα με μόρια οξυγόνου, κάτι που δείχνει να βοηθά την αλληλεπίδραση της επιφάνειας με το μέταλλο του λιθίου.

Πριν και μετά την επικάλυψη Λιθίου
Πριν και μετά την επικάλυψη Λιθίου

Για την δημιουργία ενός ηλεκτροδίου χρειαζόταν να βρουν κάτι που να βελτιώσει την αγωγιμότητα. Έτσι, ενώ το gilsonite βρισκόταν μέσα σε ένα υγρό, ανέμειξαν μερικά κομμάτια Γραφενίου. Αυτό έκανε το πορώδες υλικό να είναι ομοιόμορφο αγώγιμο, κάτι που έπαιξε σημαντικό ρόλο.

Έπειτα οι ερευνητές μπόρεσαν να προσθέσουν λίθιο απλά με την διαδικασία ηλεκτρικής επίστρωσης (electroplating). Έτσι δημιούργησαν μια ομοιόμορφη στρώση στην επιφάνεια του υλικού, και ήταν έτοιμο να χρησιμοποιηθεί.

Τα αρχικά tests έδειξαν ότι μπορούσαν να περάσουν αρκετούς κύκλους φόρτισης – αποφόρτισης χωρίς να χάσουν πολύ χωρητικότητα. Επίσης, είχε καλή συμπεριφορά σε διάφορους ρυθμούς αποφόρτισης, είτε σε χρόνο 10 ωρών είτε σε 6 λεπτών. Οι ερευνητές δοκίμασαν το ίδιο υλικό χωρίς όμως την πρόσμιξη με Γραφένιο, και παρατήρησαν ότι δημιουργήθηκαν μεταλλικές ραβδώσεις λιθίου στην επιφάνεια, που δημιουργούσαν προβλήματα στην λειτουργικότητα του. Οι ερευνητές αποδίδουν το γεγονός αυτό στην κακή κατανομή του φορτίου με την απουσία του γραφενίου.

Όταν όλα άρχισαν να φαίνονται ελπιδοφόρα, κατασκεύασαν μια μπαταρία με το παραπάνω υλικό. Για την δημιουργία του άλλου ηλεκτροδίου, κατέληξαν σε μια παρόμοια διαδικασία αλλά χρησιμοποίησαν θείο, που έχει δυνατούς σχέσεις με το Λίθιο. Όμως επειδή το θείο στην καθαρή του μορφή λαμβάνει μέρος σε πολλές άλλες αντιδράσεις που θα ήταν επιβλαβείς για ένα ηλεκτρόδιο, κατέληξαν να δημιουργήσουν μία αντίδραση μεταξύ του θείου και του άνθρακα, συνδέοντας το χημικά με το υλικό του ηλεκτροδίου.

Τα αποτελέσματα τους ήταν άκρως εντυπωσιακά. Η παραπάνω διάταξη είχε τέτοια ενεργειακή απόδοση που άγγιξε τα 950 Whr ανά χιλιόγραμμο. Για σύγκριση του αποτελέσματος, οι μπαταρίες σε ένα αυτοκίνητο Tesla, το υλικό τους αγγίζει τα 250 Whr/kg.

Αν και αυτή η προσέγγιση κατέληξε σε τόσο εντυπωσιακά αποτελέσματα, δεν μπορούμε να γνωρίζουμε το αν και το πότε θα μεταφερθεί αυτή η τεχνολογία στην αγορά. Πολλά από τα τεχνολογικά επιτεύγματα δεν λειτουργούν σωστά κάτω από πολλές συνθήκες, και αυτό τα αφήνει στην αφάνεια, και δεν φτάνουν ποτέ να βρουν την οδό προς τις καθημερινές συσκευές και την μαζική παραγωγή.

Στην προκειμένη περίπτωση όμως, αυτό το επίτευγμα έγινε με ένα υλικό τόσο φθηνό που με αυτό στρώνουμε τους δρόμους μας. Αυτό σίγουρα θα είναι μεγάλο πλεονέκτημα για την μελλοντική πορεία του.

rawpixel.com
Πηγές

Μοιραστείτε το άρθρο

The following two tabs change content below.
agathan

agathan

Αποφοίτησα απο το τμήμα Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του Πανεπιστημίου Κρήτης. Κάτα την διάρκεια εργάστηκα στην τεχνική υποστήριξη του τμήματος. Ακολούθησε το μεταπτυχιακό μου, Msc In Applied Mathematics at University Of Delaware. Ύστερα δούλεψα για μερικά χρόνια σαν web developer (CMS and what not) και SEO/Google Ads engineer.
Και τώρα είμαστε στο GeekD, μια λέξη που περιγράφει όλα τα παραπάνω.

"All we have to decide is what to do with the time that is given us."
-Gandalf The Grey, JRR Tolkien

Αφήστε ένα σχόλιο

Επιλογές της ομάδας
σκίτσο του Άλμπερτ Αϊνστάιν
Πώς τα μυστικά των πρώτων αριθμών κάνουν τον κόσμο μας ασφαλέστερο
Πώς ο Ερατοσθένης υπολόγισε την περιφέρεια της Γης πάνω από 2000 χρόνια πριν;
Τι θα γινόταν αν ο αυτισμός ήταν ... υπερδύναμη;
Εκπληκτικές φωτογραφίες του Cassini λίγο πριν τη συντριβή του στον Κρόνο