Οι μπαταρίες λιθίου-αέρα μπορούν να λειτουργήσουν πλέον για εκατοντάδες κύκλους

Οι μπαταρίες που χρησιμοποιούμε, προσφέρουν ενέργεια, και ηλεκτρόνια, μέσα από διάφορες χημικές αντιδράσεις που μπορούμε να αναστρέψουμε. Το μειονέκτημα σε αυτό τον τρόπο αποθήκευσης, είναι ότι όλα τα αντιδρώντα θα πρέπει να βρίσκονται μέσα στην μπαταρία, κάτι που αυξάνει κατά πολύ το βάρος της και τον όγκο που καταλαμβάνει.

Μία δραστική λύση σε αυτή την κατάσταση φαίνεται ότι μπορεί να δώσουν οι μπαταρίες λιθίου-αέρα (lithium-air batteries). Στο ένα ηλεκτρόδιο έχουν καθαρό μέταλλο λιθίου και όχι κάποια χημική ένωση που περιέχει λίθιο. Στο άλλο, το λίθιο αντιδρά με το οξυγόνο του αέρα. Κατά την διαδικασία της αποφόρτισης, η αντίδραση αυτή αναστρέφεται και το οξυγόνο επιστρέφει στην ατμόσφαιρα.

Έτσι αποθηκεύονται λιγότερα χημικά μέσα στις μπαταρίες, και είναι πιθανό να επιτύχουν μεγαλύτερες ενεργειακές πυκνότητες. Σε παρουσιάσεις τέτοιων μπαταριών έδειξαν ότι κατάφεραν να έχουν έως και 5 φορές μεγαλύτερη πυκνότητα από αυτή που έχουν οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου (lithium ion).

Που όμως υπάρχει πρόβλημα;

Έχουν διάρκεια ζωής ενός μήνα. Γιατί; Από την μία γιατί το οξυγόνο και το μέταλλο του λιθίου έχουν μεγάλη δραστικότητα, και από την άλλη γιατί ο αέρας περιέχει πολλά περισσότερα πράγματα εκτός του οξυγόνου, με τα οποία μπορεί να γίνει αντίδραση.

Η ομάδα των ερευνητών, για την οποία θα μιλήσουμε, έχει ανακαλύψει τον τρόπο με τον οποίο θα προστατέψουν τις μπαταρίες από πολλά από τα αντιδρώντα, και έδειξαν ότι το τελικό προϊόν μπορεί να αντέξει εκατοντάδες κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης μέσα σε ατμόσφαιρικες συνθήκες. Κάτι τέτοιο μπορεί να σημαίνει ότι οι ερευνητές είναι σε θέση να βρουν τι πηγαίνει στραβά όταν η μπαταρία έρχεται σε επαφή με το περιβάλλον.

Η έρευνα αυτή ήταν προϊόν της συνεργασίας ακαδημαϊκών που βρίσκονται στις Η.Π.Α. και του Argonne National Lab. Στην προσπάθεια τους επικεντρώθηκαν στον τρόπο με τον οποίο θα μπλοκαριστούν οι επιπλέον χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν και δεν συμβάλλουν στην λειτουργικότητα της μπαταρίας και/ή καταστρέφουν τα υλικά της.

Αυτές οι αντιδράσεις μπορούν να επηρεάσουν τα ηλεκτρόδια, είτε το λίθιο που φέρει το φορτίο, ή τον ηλεκτρολύτη που επιτρέπει στο λίθιο να μεταφερθεί μεταξύ των ηλεκτροδίων.

Σε αυτή την υπόθεση δυσκολεύει πολύ τα πράγματα η σύσταση του αέρα. Περιέχει πολλά στοιχεία (όπως άζωτο, οξυγόνο και νερό) που μπορεί να συμμετάσχουν σε αυτές τις ανεπιθύμητες χημικές αντιδράσεις.

Οι ερευνητές στην προσπάθεια τους να τις περιορίσουν, κατέληξαν στο να χρησιμοποιήσουν σε συνδυασμό, προσομοιώσεις σε υπολογιστή (density functional theory) και την κατασκευή πραγματικού hardware. Στην ουσία έκαναν δοκιμές των κατασκευασμένων συσκευών-μπαταριών σε ρεαλιστικές συνθήκες – ποσοστά οξυγόνου, αζώτου, διοξειδίου του άνθρακα και νερού- χωρίς να επιτρέψουν περαιτέρω επιπλοκές.

Για να προστατέψουν το lithium-metal anode (άνοδο μετάλλου λιθίου) που χρησιμοποίησαν, πρόσθεσαν μία επικάλυψη lithium carbonate – κάτι που ήταν αρκετά εύκολο για να γίνει με την αντίδραση του λιθίου με το διοξείδιο του άνθρακα. Με αυτό τον τρόπο δημιουργήθηκε ένα πυκνό πλέγμα κρυστάλλων πάνω στο λίθιο που εμπόδιζε, όπως έδειξαν και οι προσομοιώσεις, τα υπόλοιπα αντιδρώντα.

Για τον ηλεκτρολύτη χρησιμοποίησαν ένα μείγμα οργανικών χημικών που είχε αποδειχθεί πρωτύτερα ότι συμβάλλουν στην σταθερότητα της μπαταρίας, καθώς διασκορπίζουν τα μόρια του νερού και των αερίων.

Την κάθοδο (cathode) την κατασκεύασαν με molybdenum disulfide. Το υλικό αυτό δημιουργεί μία επιφάνεια που είναι συμβατή με το παράγωγο της αντίδρασης του λιθίου και του οξυγόνου (Li2O2) που του επιτρέπει να δημιουργήσει μία λεπτή στρώση γύρω από την κάθοδο.

Αυτή η στρώση παραμένει αδρανής με την παρουσία νερού ή διοξειδίου του άνθρακα, και έτσι εμποδίζονται όποιες αντιδράσεις με αυτά τα στοιχεία.

Το τελικό αποτέλεσμα έδειξε ότι μπορεί να αντέξει σε εκατοντάδες κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης. Βέβαια οι ερευνητές δοκίμασαν την μπαταρία σε περίπου 700 κύκλους και δεν προέκυψε κάποιο σφάλμα σε αυτή, αλλά η διαφορά δυναμικού αυξήθηκε σταδιακά από τα 1.3V στα 1.6V.

Οι ίδιοι καταλήγουν  ότι η προστασία που κατασκευάστηκε για την κάθοδο και την άνοδο λειτουργεί πάρα πολύ καλά, και δίνουν στην μπαταρία λιθίου-οξυγόνου ένα μεγάλο κύκλο ζωής σε συνθήκες προσομοίωσης.

Είναι πολύ σημαντικό να δώσει κανείς την απαραίτητη βαρύτητα στο σημείο: “συνθήκες προσομοίωσης”. Οι ερευνητές αν είχαν δοκιμάσει την κατασκευή τους σε πραγματικές συνθήκες ατμόσφαιρας, θα είχαν συμπεριλάβει τα αποτελέσματα τους στην δημοσίευση. Όπως φαίνεται όμως δεν έκαναν κάποια τέτοια δοκιμή. Ίσως είναι ένα βήμα που θα εξετάσουν στο εγγύτερο μέλλον.

Το σημαντικό είναι ότι κατάφεραν να υπερπηδήσουν ένα μεγάλο εμπόδιο για την σωστή λειτουργία των μπαταριών λιθίου-οξυγόνου. Θα μπορούσε να πει κανείς ότι τα υπόλοιπα προβλήματα που έχουν να αντιμετωπίσουν είναι συγκριτικά μικρά σε σχέση με όσα κατάφεραν.

Αυτού του είδους οι μπαταρίες είχαν πρωταθεί σαν ιδέα για πρώτη φορά, μέσα στην δεκαετία του 1970, για την χρήση τους στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Αποφασίστηκε όμως ότι δεν ήταν κάτι που θα προσπαθήσουν να κατασκευάσουν. Αυτή η ιδέα ήρθε ξανά στο προσκήνιο μέσα στην δεκαετία του 2000, όπου έγιναν αρκετές προσπάθειες προς την συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Έχουν γίνει και άλλες προσπάθειες για την κατασκευή πιο αποδοτικών μπαταριών από αυτές που έχουμε σήμερα, αλλά η συγκεκριμένη έρευνα δείχνει ότι μπορούμε να ελπίζουμε σε δραστικές αλλαγές στην αποθήκευση ενέργειας.

Η δημοσίευση έγινε στο Nature, 2017. DOI: 10.1038/nature25984.

Πηγές

• arstechnica.com – New lithium-air battery survives hundreds of cycles
• Collaboration Yields New Design That Produces True Lithium-Air Batteryfederallabs.org –
• techxplore.com – New design produces true lithium-air battery
  (Εικόνα, The experimental lithium-air battery. Credit: Amin Salehi-Khojin)

Μοιραστείτε το άρθρο