Αταξία Αλατιού Πέτρας: Πώς η Αντιμετώπιση της Κινητικότητας του Οξυγόνου Οδήγησε σε Επανάσταση στην Τεχνολογία Μπαταριών

Η ζήτηση για μπαταρίες αυξάνεται παγκοσμίως, καθοδηγούμενη από την αυξανόμενη χρήση στη βιομηχανία αυτοκινήτων, την αυξανόμενη δημοτικότητα των φορητών καταναλωτικών ηλεκτρονικών και τις αυστηρές περιβαλλοντικές ρυθμίσεις. έχει προβλεφθεί να φτάσει τα 800δισ. δολάρια μέχρι το 2036, από περίπου 120δισ. δολάρια το 2023.

Με βάση αυτή την αναμενόμενη ανάπτυξη, οι ερευνητές αναπτύσσουν και δοκιμάζουν συνεχώς νέα υλικά και χημικές ουσίες για τη βελτίωση κρίσιμων μερών των μπαταριών, που επηρεάζουν ιδιότητες όπως η ενεργειακή απόδοση, η αποθήκευση ενέργειας, η ισχύς και η δυνατότητα κυκλώματος.

Αυτά τα στοιχεία περιλαμβάνουν έναν καθόδιο (θετικό ηλεκτρόδιο), έναν άνοδο (αρνητικό ηλεκτρόδιο), ένα ηλεκτρολύτη (για τη μεταφορά ιόντων μεταξύ των ηλεκτροδίων) και έναν διαχωριστή.

Τα περισσότερα συσκευές που τροφοδοτούνται από μπαταρίες σήμερα, όπως τα ηλεκτρικά οχήματα, τα smartphones και τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, βασίζονται στην τεχνολογία μπαταριών λιθίου-ιόντων. Οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων μπορούν να αποθηκεύσουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας σε συμπαγή μεγέθη, να φορτίζουν γρήγορα και να διαρκούν πολύ.

Ωστόσο, με την αυξανόμενη ζήτηση για μπαταρίες με μεγαλύτερες δυνατότητες, ερευνώνται και αναπτύσσονται νέες τεχνολογίες για τη βελτίωση της αποδοτικότητας, τη μείωση του κόστους, την ενίσχυση της ασφάλειας και την προώθηση της βιωσιμότητας.

Κατά τα χρόνια, η συνεχής έρευνα οδήγησε σε προόδους που προσφέρουν υποσχόμενες εναλλακτικές λύσεις στα λιθίου-ιόντων και τις μολύβδου-οξέας μπαταρίες.

Οι μπαταρίες νάτριο-ιόντων προσφέρουν πιο προσιτή και ασφαλή επιλογή που αποδίδει καλύτερα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτές οι μπαταρίες είναι παρόμοιες με τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων αλλά χρησιμοποιούν αλμυρό νερό ως ηλεκτρολύτη, καθιστώντας τες πιο κατάλληλες για αποθήκευση ενέργειας, αν και δεν έχουν ακόμη βελτιστοποιηθεί. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν ακόμη και γέλη ηλεκτρολύτη για να κάνουν τα νανοσύρματα πιο ανθεκτικά και κατάλληλα για χρήση σε μπαταρίες.

Μπαταρίες στερεάς κατάστασης, από την άλλη πλευρά, χρησιμοποιούν στερεό ηλεκτρολύτη όπως γυαλί, κεραμικό ή πολυμερές αντί για γέλη ή υγρό ηλεκτρολύτη. Αυτές οι μπαταρίες είναι πολύ πιο αποδοτικές, ζυγίζουν λιγότερο, φορτίζουν γρηγορότερα, και χρησιμοποιούνται ήδη σε smartphones και βηματοδότες. Η Toyota και η BMW εργάζονται επί του παρόντος για την κυκλοφορία αυτοκινήτων με μπαταρίες στερεάς κατάστασης, αν και θα χρειαστούν ακόμα μερικά χρόνια.

Οι νέες τεχνολογίες μπαταριών περιλαμβάνουν επίσης μπαταρίες λιθίου-θειούχου, που είναι οικονομικές αλλά έχουν περιορισμό στη διάρκεια ζωής, και μπαταρίες λιθίου-ιόντων χωρίς κοβάλτιο, που μπορούν να βοηθήσουν στην αντιμετώπιση των ζητημάτων ανθρωπίνων δικαιωμάτων στην εξόρυξη κοβαλτίου. Ωστόσο, οι εναλλακτικές όπως το TAQ είναι ακόμη νέες και χρειάζονται περισσότερες δοκιμές.

Οι μπαταρίες με βάση το ψευδάργυρο επίσης διερευνώνται, με τεχνολογίες όπως ψευδάργυρο-μαγγανίου διοξείδιο, ψευδάργυρο-αέρα, ψευδάργυρο-βρώμιο και ψευδάργυρο-ιόντων. Ωστόσο, είναι αναποτελεσματικές, μερικές φορές περιλαμβάνουν απρόσμενες χημικές αντιδράσεις μετατροπής και είναι ακριβές στην κατασκευή, απαιτώντας περαιτέρω έρευνα.

Καθώς ο κόσμος εξαρτάται όλο και περισσότερο από τις μπαταρίες, οι επιστήμονες παγκοσμίως εστιάζουν στην επίτευξη επαναστατικών προόδων στους χρόνους αποθήκευσης, την ισχύ, το κόστος παραγωγής και την άμεση ετοιμότητα.

Τελευταία Επανάσταση στις Μπαταρίες: Καθόδια Αλατιού-Πολυανίων

Η νέα έρευνα έκανε μια πρόοδο στην αύξηση της πρακτικής ενεργειακής πυκνότητας της μπαταρίας. Δημοσιεύτηκε στο Nature Energy στα τέλη του περασμένου μήνα, η μελέτη με τίτλο “Ολοκληρωμένα καθόδια αλατιού–πολυανίων με πλεονάζον λίθιο και σταθεροποιημένο κύκλο”, πραγματοποιήθηκε από το Τμήμα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής του MIT.

Η μελέτη εστιάζει σε ένα νέο υλικό καθόδιο που βρίσκεται σε αταξία αλατιού πέτρας, το οποίο έχει μελετηθεί ως προχωρημένο υλικό καθόδιο για χρήση σε μπαταρίες λιθίου-ιόντων για πάνω από μια δεκαετία.

Οι ερευνητές του MIT διασφάλισαν ότι το υλικό μπορεί να δημιουργήσει υψηλής ενέργειας, χαμηλού κόστους αποθήκευση για ηλεκτρικά οχήματα, κινητά τηλέφωνα και αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας.

Καθοδηγούμενη από τον Ju Li, καθηγητή της Tokyo Electric Power Company στο Τμήμα Πυρηνικής Μηχανικής, η ομάδα ανακάλυψε το DRXPS, ή αταξία αλατιού-πολυανιονικού σπινέλ, ως το νέο υλικό.

Αυτή η νέα κατηγορία μερικώς αταξίας αλατιού καθόδιο, ενσωματωμένη με πολυανίδια, αποδεικνύεται ότι παρέχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα σε υψηλές τάσεις με ενισχυμένη σταθερότητα κύκλου. Αυτό αποτελεί μεγάλη επίτευξη, δεδομένου ότι συνήθως υπάρχει ανταλλαγή μεταξύ ενεργειακής πυκνότητας και σταθερότητας κύκλου στα υλικά καθόδιο.

«Με αυτή τη δουλειά, στοχεύουμε να προωθήσουμε τα όρια σχεδιάζοντας νέες χημείες καθόδιο».

– Yimeng Huang, ο πρώτος συγγραφέας του άρθρου, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο NSE

Τώρα, πώς η νέα οικογένεια υλικών μπορεί να επιτύχει τόσο υψηλή ενεργειακή πυκνότητα όσο και καλή σταθερότητα κύκλου; Η απάντηση βρίσκεται στην ενσωμάτωση δύο βασικών υλικών καθόδιο — αλατιού πέτρας και πολυανιονικού ολιβίνης. Συνδυάζοντάς τα, μπορεί να αξιοποιήσει και τα δύο οφέλη.

Ένα ακόμη στοιχείο που παίζει ρόλο εδώ είναι το μαγγάνιο (Mn), ένα σκληρό, ασημένιο μέταλλο που βρίσκεται σε αφθονία στη Γη και είναι πολύ φθηνότερο από άλλα στοιχεία που χρησιμοποιούνται σήμερα στα καθόδια.

Για παράδειγμα, το μαγγάνιο είναι περίπου τριάντα φορές φθηνότερο από το Κοβάλτιο (Co) και πέντε φορές φθηνότερο από το Νικέλιο (Ni), τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως σε μπαταρίες. Επιπλέον, το μαγγάνιο διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην επίτευξη υψηλότερων ενεργειακών πυκνοτήτων.

«Το γεγονός ότι ένα τέτοιο υλικό είναι πολύ πιο άφθονο στη γη αποτελεί τεράστια προτεραιότητα».

– Li, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών

Αυτό το πλεονέκτημα, σύμφωνα με τους ερευνητές, έχει μεγάλη αξία για ένα μέλλον μηδενικού άνθρακα, το οποίο απαιτεί υποδομές ανανεώσιμης ενέργειας.

Οι μπαταρίες μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο σε αυτή τη μετάβαση, με τη δυνατότητα να αποανθρακοποιήσουν τις μεταφορές μέσω ηλεκτρικών οχημάτων και να αντιμετωπίσουν την ακανόνιστη φύση της ηλιακής και αιολικής ενέργειας. Δεδομένου ότι αυτές οι πηγές ανανεώσιμης ενέργειας δεν είναι διαθέσιμες 24/7, η αποθήκευση ενέργειας είναι απαραίτητη για την παροχή ενέργειας σε περιόδους που δεν είναι διαθέσιμες, όπως τη νύχτα ή σε συννεφιασμένες και ήσυχες ημέρες.

Οι ερευνητές επίσης επισημαίνουν ότι υλικά όπως το κοβάλτιο και το νικέλιο είναι σχετικά σπάνια και ακριβά. Η χρήση τους για γρήγορη κλιμάκωση της ηλεκτρικής αποθηκευτικής χωρητικότητας θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγάλες αυξήσεις κόστους και ενδεχόμενες σοβαρές ελλείψεις υλικών. Σύμφωνα με τον Li:

«Αν θέλουμε πραγματική ηλεκτροποίηση της παραγωγής ενέργειας, των μεταφορών και περισσότερων, χρειαζόμαστε μπαταρίες άφθονες στη γη για να αποθηκεύουν την ακανόνιστη φωτοβολταϊκή και αιολική ενέργεια. Νομίζω ότι αυτό είναι ένα από τα βήματα προς αυτό το όνειρο».

Ξεπερνώντας το Εμπόδιο της Κινητικότητας του Οξυγόνου στα Τρέχοντα Υλικά

Χρηματοδοτημένη από το Honda Research Institute USA Inc. και το Molecular Foundry στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, η μελέτη αντιμετώπισε μία από τις κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν τα καθόδια αταξίας αλατιού πέτρας.

Όπως σημειώθηκε νωρίτερα, το υλικό έχει μελετηθεί για την εξαιρετικά υψηλή του χωρητικότητα. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά υλικά καθόδιο, που έχουν χωρητικότητα μεταξύ 190 και 200 mAh/g, αυτό το υλικό φημίζεται με έως και 350 mAh/g.

Ωστόσο, παρά την πολύ υψηλή χωρητικότητα, το υλικό δεν είναι πολύ σταθερό. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο οξυγόνο redox, μια διαδικασία αξιοποίησης της πυκνότητας ηλεκτρονίων κοντά στα άτομα οξυγόνου στα υλικά καθόδιο.

Το οξυγόνο redox ενεργοποιείται όταν το καθόδιο φορτίζεται σε υψηλές τάσεις, κάνοντας το οξυγόνο κινητό, το οποίο στη συνέχεια οδηγεί σε αντιδράσεις με τον ηλεκτρολύτη και στην υποβάθμιση του υλικού. Αυτό καθιστά το υλικό άχρηστο μετά από παρατεταμένο κύκλο.

Για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις, οι ερευνητές εισήγαγαν ένα άλλο στοιχείο στο υλικό: το φώσφορο (P), ένα μαλακό, κηροειδές στερεό που λειτουργεί σαν κόλλα, κρατώντας το οξυγόνο στη θέση του και μειώνοντας την υποβάθμιση του υλικού.

Αλλά η απλή προσθήκη φώσφορου δεν είναι αρκετή από μόνη της. Η σωστή ποσότητα φώσφορου είναι η πιο σημαντική καινοτομία εδώ. Η προσθήκη της κατάλληλης ποσότητας P «δημιούργησε λεγόμενα πολυανίδια με τα γειτονικά άτομα οξυγόνου σε μια δομή αλατιού πέτρας με έλλειψη κατιόντων που μπορεί να τα συγκρατήσει», δήλωσε ο Li.

Η ισχυρή ομοιοπολική σύνδεση μεταξύ οξυγόνου και φώσφορου επιτρέπει στους ερευνητές να σταματήσουν τη μεταφορά του οξυγόνου. Με αυτόν τον τρόπο, κατάφεραν να αξιοποιήσουν τη χωρητικότητα που προσφέρει το οξυγόνο και ταυτόχρονα να επιτύχουν καλή σταθερότητα.

Η δυνατότητα αυτή να φορτίζονται οι μπαταρίες σε υψηλότερες τάσεις είναι σημαντική, επειδή επιτρέπει πιο απλά συστήματα διαχείρισης της αποθηκευμένης ενέργειας.

«Μπορείτε να πείτε ότι η ποιότητα της ενέργειας είναι υψηλότερη. Όσο υψηλότερη η τάση ανά κελί, τόσο λιγότερο χρειάζεται να τα συνδέσετε σε σειρά στο πακέτο μπαταρίας, και τόσο πιο απλό είναι το σύστημα διαχείρισης μπαταρίας».

– Li

Αυτή η μελέτη είναι μόνο η αρχή, καθώς η ομάδα θα εξερευνήσει τώρα διαφορετικές αναλογίες μαγγανίου, λιθίου, οξυγόνου και φώσφορου, καθώς και διάφορους συνδυασμούς άλλων στοιχείων που σχηματίζουν πολυανίδια όπως το πυρίτιο, το θείο και το βόριο.

Στο μέλλον, οι ερευνητές θα διερευνήσουν επίσης νέους τρόπους κατασκευής του υλικού, με ιδιαίτερη έμφαση στην κλιμακωσιμότητα και τη μορφολογία. Η τρέχουσα μελέτη χρησιμοποιεί υψηλής ενέργειας μπίλια μίλιγκ για μηχανική χημική σύνθεση, η οποία δίνει μη ομοιόμορφη μορφολογία και σωματίδια μεγέθους περίπου 150 νανόμετρα, ένα μικρό μέσο. Επιπλέον, η τρέχουσα μέθοδος δεν είναι πραγματικά κλιμακώσιμη.

Έτσι, οι ερευνητές προσπαθούν τώρα εναλλακτικές μεθόδους σύνθεσης για να επιτύχουν πιο ομοιόμορφη μορφολογία και σωματίδια μεγαλύτερων μεγεθών. Αυτό θα βοηθήσει στην αύξηση της όγκο-ενεργειακής πυκνότητας του υλικού και μπορεί ακόμη να τους επιτρέψει να δοκιμάσουν κάποιες μεθόδους επικάλυψης που θα βελτιώσουν την απόδοση της μπαταρίας. Οι μελλοντικές μέθοδοι πρέπει επίσης να είναι βιομηχανικά κλιμακώσιμες.

Ένα άλλο ζήτημα είναι η αγωγιμότητα, η οποία ενισχύθηκε με την προσθήκη σημαντικής ποσότητας άνθρακα στο υλικό αταξίας αλατιού πέτρας. Στην πραγματικότητα, ο άνθρακας αποτελούσε το 20 τοις εκατό του βάρους της πάστας του καθόδιο, καθώς το υλικό δεν είναι από μόνο του καλός αγωγός.

Έτσι, φυσικά, οι ερευνητές θα εξετάσουν περαιτέρω τη μείωση του περιεχομένου άνθρακα στο ηλεκτρόδιο. Εάν το καταφέρουν χωρίς να θυσιάσουν την απόδοση της μπαταρίας, θα μπορούσαν να αυξήσουν την πρακτική ενεργειακή πυκνότητα ενσωματώνοντας υψηλότερο περιεχόμενο ενεργού υλικού στην μπαταρία.

Για το σκοπό αυτό, εξετάζουν τη χρήση ανθρακικών νανοσωλήνων, που θα μπορούσαν να μειώσουν το περιεχόμενο άνθρακα σε μόλις ένα ή δύο τοις εκατό κατά βάρος, επιτρέποντας σημαντική αύξηση του ενεργού υλικού του καθόδιο. Η τρέχουσα μελέτη, ωστόσο, χρησιμοποίησε Super P, έναν αγώγιμο άνθρακα που αποτελείται από νανοσφαίρες, ο οποίος είναι λιγότερο αποδοτικός.

Μια άλλη βελτίωση περιλαμβάνει τη χρήση παχιών ηλεκτροδίων, που θα αυξήσουν περαιτέρω την πρακτική ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας.

Μόλις η ομάδα βελτιστοποιήσει τη σύνθεση του υλικού, αναπτύξει παχύτερα ηλεκτρόδια, πετύχει καλύτερη μορφολογία για ομοιόμορφες επενδύσεις, μειώσει το περιεχόμενο άνθρακα και υιοθετήσει κλιμακώσιμες μεθόδους σύνθεσης, θεωρούν την οικογένεια καθόδιο DRXPS εξαιρετικά υποσχόμενη για εφαρμογές σε ηλεκτρικά οχήματα, αποθήκευση δικτύου και καταναλωτικά ηλεκτρονικά.

Εταιρείες που Προωθούν το Πεδίο των Μπαταριών

Πολλές εταιρείες συμβάλλουν στην προώθηση του πεδίου, και ακόμη περισσότερες θα ωφεληθούν από αυτές τις εξελίξεις.

Η Umicore (UMICY) είναι μια τέτοια εταιρεία που ασχολείται με υλικά μπαταριών, ιδιαίτερα με τεχνολογίες καθόδιο, με έμφαση σε βιώσιμα και προχωρημένα υλικά. Παράλληλα, η Lithium Americas Corp. (LAC) είναι προμηθευτής λιθίου, και η Vale (VALE) είναι κορυφαίος παγκόσμιος παραγωγός σιδήρου και μαγγανίου. Τώρα, ας ρίξουμε μια ματιά σε μερικά άλλα εξέχοντα ονόματα:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Ένας σημαντικός παραγωγός λιθίου, η Albemarle, έχει αναπτύξει τεχνολογίες μπαταριών με αυξημένη ενεργειακή πυκνότητα για τη μείωση του βάρους και την επέκταση της εμβέλειας. Είναι ένας από τους μεγαλύτερους παραγωγούς λιθίου για μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων παγκοσμίως. Οι προσφορές της εταιρείας για την κάλυψη της ζήτησης καθαρής ενέργειας περιλαμβάνουν λύσεις καθόδιο, λύσεις άνοδο, λύσεις ηλεκτρολύτη και θήκες μπαταριών.

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 9,84 δισ. δολαρίων, η μετοχή της Albemarle διαπραγματεύεται αυτή τη στιγμή στα 83,66 δολάρια, μειωμένη κατά 41,6% ετησίως. Έχει EPS (TTM) -4,73, P/E (TTM) -17,67 και απόδοση μερίσματος 1,94%. Το δεύτερο τρίμηνο του 2024, η εταιρεία ανακοίνωσε καθαρά έσοδα 1,4 δισ. δολαρίων και προσαρμοσμένο EBITDA 386 εκατ. δολάρια. Τα ταμειακά ρευστά από λειτουργίες ανήλθαν σε 363 εκατ., αυξημένα από 289 εκατ. το προηγούμενο έτος. Η Albemarle παρείχε επίσης πάνω από 150 εκατ. δολαρίων σε οφέλη παραγωγικότητας.

#2. QuantumScape (QS)

Η QuantumScape είναι αναπτυξιακή εταιρεία στερεάς κατάστασης μπαταριών λιθίου-μετάλλου, με στόχο τη μεταμόρφωση της αποθήκευσης ενέργειας. Η εταιρεία ανέπτυξε το πρώτο σχεδίαση κυψέλης χωρίς άνοδο στη βιομηχανία, η οποία μειώνει το κόστος των υλικών και παρέχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Φέτος, η QuantumScape συνεργάστηκε με την εταιρεία μπαταριών της Volkswagen, PowerCo, χορηγώντας τους άδεια για μαζική παραγωγή κυψελών μπαταριών βασισμένων στην τεχνολογική πλατφόρμα της QuantumScape.

Με κεφαλαιοποίηση αγοράς 2,75 δισ. δολαρίων, η μετοχή της QuantumScape διαπραγματεύεται αυτή τη στιγμή στα 5,51 δολάρια, μειωμένη κατά 19,78% ετησίως. Έχει EPS (TTM) -0,95 και P/E (TTM) -5,78. Το δεύτερο τρίμηνο του 2024, η εταιρεία ανακοίνωσε κεφαλαιακές δαπάνες 18,9 εκατ. δολαρίων, ενώ τα λειτουργικά έξοδα GAAP ανήλθαν σε 134,5 εκατ. δολάρια. Η ρευστότητα ήταν 938 εκατ. δολάρια στο τέλος του τριμήνου.

Συμπέρασμα

Δεδομένης της ευρείας χρήσης και του μεγέθους της αγοράς των μπαταριών, νέες και προχωρημένες τεχνολογίες μπαταριών ερευνώνται και αναπτύσσονται εντατικά. Όπως είδαμε στην τελευταία μελέτη, το νέο υλικό καθόδιο παρουσίασε «υψηλές βαρυτικές ενεργειακές πυκνότητες πάνω από 1.100 Wh kg⁻¹ και >70% διατήρηση μετά από 100 κύκλους», ανοίγοντας το δρόμο για καθόδια μπαταριών κατασκευασμένα από άφθονα στοιχεία όπως το Mn και το Fe.

Δεδομένου ότι οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων θεωρούνται κρίσιμο μέρος της μετάβασης προς καθαρή ενέργεια, μελέτες όπως αυτή διασφαλίζουν τη συνεχή τους ανάπτυξη και τη μείωση των τιμών, αναπτύσσοντας «φθηνά, υψηλής απόδοσης υλικά καθόδιο».

Αυτό υποδεικνύει ένα υποσχόμενο μέλλον για την αποθήκευση ενέργειας, με τη δυνατότητα να καλύψει τις αυξανόμενες παγκόσμιες απαιτήσεις ενώ ελαχιστοποιεί το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.

Κάντε κλικ εδώ για μια λίστα με τις δέκα κορυφαίες μετοχές μπαταριών για επένδυση.