Μπαταρία Κυψέλης Μέλιτος για Πιθανή Υπέρβαση των Στερεών Μπαταριών

Μπαταρίες για την Ηλεκτροποίηση του Κόσμου

Η τεχνολογία μπαταριών αλλάζει τον κόσμο με αμέτρητους τρόπους. Το πιο προφανές παράδειγμα είναι τα ηλεκτρικά οχήματα, αλλά οι προηγμένες μπαταρίες είναι επίσης η κινητήρια δύναμη πίσω από τη αυξανόμενη σημασία των drones και άλλων φουτουριστικών καινοτομιών όπως το μαγνητικό τρένο, τα τρένα Hyperloop και ακόμη μαζικοί οδηγοί για την κατάκτηση του διαστήματος.

Θα είναι επίσης απαραίτητες για να κάνουν το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας μας πράσινο, εξομαλύνοντας τις καμπύλες παραγωγής ενέργειας των ηλιακών πάνελ το βράδυ και των ανεμογεννητριών τις ημέρες χωρίς άνεμο.

Πηγή: Statista

Προς το παρόν, η τεχνολογία μπαταριών βασίζεται στην τεχνολογία λιθίου-ιόντων, μια ανακάλυψη τόσο ουσιώδης που κέρδισε το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 2019 (μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για την ιστορία της ανακάλυψής της στο αφιερωμένο μας άρθρο).

Ωστόσο, οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων έχουν έναν σοβαρό περιορισμό. Με την πάροδο του χρόνου, εκρήξεις μεταλλικού λιθίου, που ονομάζονται ντεντρίτες, αυξάνονται ελαφρώς σε κάθε κύκλο φόρτισης/αποφόρτισης. Αυτό μπορεί να οδηγήσει τις ντεντρίτες να διατρυπήσουν τα εξαρτήματα της μπαταρίας, δημιουργώντας ένα σύντομο κύκλωμα. Ο κίνδυνος ενός τέτοιου σύντομου κυκλώματος εντείνεται ακόμη περισσότερο από το γεγονός ότι οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων χρησιμοποιούν εύφλεκτα ηλεκτρολύτες, καθιστώντας τις πυρκαγιές μπαταριών πολύ θερμές και δύσκολες να σβηστούν.

Αυτό είναι ένα πρόβλημα που μοιράζεται σε κάποιο βαθμό από όλες τις μπαταρίες βασισμένες στο λίθιο, συμπεριλαμβανομένης της χημείας LFP (Λιθίου-Σιδήρου-Φωσφορικού). Τουλάχιστον μέχρι τώρα.

Πηγή: Nobel Prize

Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η εναλλακτική θεωρήθηκε είτε μια εντελώς διαφορετική χημεία όπως το νάτριο-ιόν, είτε μια διαφορετική έννοια μπαταρίας, ιδιαίτερα οι στερεές μπαταρίες, που δεν χρησιμοποιούν καθόλου ηλεκτρολύτες.

Αυτό ίσως δεν είναι αλήθεια. Ο κορυφαίος κατασκευαστής μπαταριών CATL ανακοίνωσε ότι ένα νέο σχέδιο «κυψέλης μέλιτος» μπορεί να δημιουργήσει μπαταρίες χωρίς σημάδια φθοράς μετά από 5 χρόνια εντατικής χρήσης.

Αυτό το σχέδιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μπαταριών με ενεργειακή πυκνότητα ίση με αυτή των στερεών μπαταριών, ενώ εξακολουθεί να χρησιμοποιεί κυρίως την τρέχουσα τεχνολογία.

Κυψέλες Μέλιτος για Περισσότερη Ενέργεια.

Ένας βασικός λόγος για τη φθορά των μπαταριών και την ανάπτυξη ντεντριτών είναι ότι το υλικό συστέλλεται και διαστέλλεται κατά κάθε κύκλο φόρτισης/αποφόρτισης όταν τα ιόντα λιθίου εισέρχονται στο πλέγμα του άνοδος.

Η διαχείριση της συστολής/διάτασης είναι επίσης ένα από τα κύρια ζητήματα που έχουν εμποδίσει την ανάπτυξη στερεών μπαταριών. Η CATL ισχυρίζεται ότι βρήκε λύση αναπτύσσοντας μια πολύπλοκη δομή παρόμοια με κυψέλη μέλιτος για το υλικό του άνοδος.

Η ιδέα δεν είναι εντελώς καινούργια, καθώς είχε ήδη προταθεί από ερευνητές, όπως για παράδειγμα σε ένα επιστημονικό άρθρο του 2020 με τίτλο «Ευέλικτη μπαταρία λιθίου-ιόντων βασισμένη σε νέα μικρο-κυψέλη δομή».

Πηγή: Phys.org

Η εταιρεία ανακοίνωσε μια νέα μπαταρία LFP (λιθίου-σιδήρου-φωσφορικού) που μπορεί να προσθέσει 600 km εμβέλειας σε μόλις 10 λεπτά. Συνολικά η εμβέλεια οδήγησης θα μπορούσε να ξεπεράσει τα 1.000 km (600 μίλια), εξαλείφοντας εντελώς το «άγχος εμβέλειας» για τους μελλοντικούς ιδιοκτήτες EV.

Συνολικά, αυτό σημαίνει ότι 1 km εμβέλειας μπορεί να φορτιστεί κάθε δευτερόλεπτο και μια πλήρης φόρτιση για 1.000 km θα διαρκέσει 16,6 λεπτά.

Νέα Καταγραφή Πυκνότητας

Αυτή η εντυπωσιακή εμβέλεια είναι δυνατή επειδή «η ενεργειακή πυκνότητα του συστήματος μπαταριών Shenxing ξεπέρασε για πρώτη φορά το όριο των 200 Wh/kg, φθάνοντας τα 205 Wh/kg».

Αυτό επιτεύχθηκε χάρη σε μια δομή «κυψέλης μέλιτος» που ουσιαστικά διατηρεί το υλικό στη σωστή θέση, αποφεύγοντας ρωγμές και συστολή κατά τη φόρτιση.

Η εταιρεία, φυσικά, είναι σχετικά μυστική σχετικά με τις λεπτομέρειες της διαδικασίας παραγωγής της, καθώς η τεχνολογία μπαταριών είναι ίσως ένας από τους πιο ανταγωνιστικούς τομείς στον κόσμο αυτή τη στιγμή, ιδιαίτερα με την επόμενη γενιά μπαταριών λεπίδας της BYD που αναμένεται να φτάσει τα 190 Wh/kg.

Μυστικά Κατασκευής

Γνωρίζουμε ότι χρησιμοποίησαν κάτι που ονομάζεται «διακριτική διαβάθμιση/νανομετρική ενθυλάκωση», η οποία μπορεί να τοποθετήσει κάθε νανομετρικό σωματίδιο μέσα στο κύτταρο στη σωστή θέση. Αναφέρθηκαν επίσης σε «γρήγορη αγώγιμη επίστρωση λιθίου-ιόντων» για να επιταχύνουν τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των 2 πόλων της μπαταρίας.

Τα εργοστάσια της CATL είναι εξαιρετικά αυτοματοποιημένα και μπορούν να παράγουν μία από τις νέες μπαταρίες LFP κάθε 1 δευτερόλεπτο στο κορυφαίο εργοστάσιό τους.

Από ένα επιστημονικό άρθρο του 2021, μπορούμε να μάθουμε μερικά από τα βασικά πλεονεκτήματα των σχήματος κυψέλης, ιδιαίτερα τη χαμηλή πυκνότητα και τις υψηλές ιδιότητες συμπίεσης και διάτμησης εκτός επιπέδου (αντίσταση των υλικών σε δυνάμεις που δρουν παράλληλα αλλά αντίθετες).

Η διάταξη κυψέλης γραφενίου αποτρέπει αποτελεσματικά τη συσσώρευση νανοσωματιδίων πυριτίου, βελτιώνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα και μειώνει την αντίσταση μεταφοράς Li+.

Αν και δεν είναι σαφές πώς το πέτυχε η CATL, ορισμένες από αυτές τις μεθόδους είναι γνωστές· για παράδειγμα, διαδοχικές θερμικές και χημικές επεξεργασίες με άνθρακα και οξύ μπορούν να δημιουργήσουν μια νανο-κυψέλη δομή.

Πηγή: Chemistry Europe