Ενέργεια
Νανοσύνθετα Ηλεκτροκαταλύτες θα μπορούσαν να επανασχεδιάσουν τις μπαταρίες Λιθίου-Θειού με χρόνους φόρτισης 5 λεπτών
Από Λιθίου-Ιόντων σε Λιθίου-Θειού
Οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων, μέχρι τώρα, κυριαρχούν στην αγορά μπαταριών. Αυτό οφείλεται τόσο στην υψηλή ενεργειακή πυκνότητα όσο και στο προβάδισμα που έχουν από τη μαζική χρήση και παραγωγή για την καταναλωτική ηλεκτρονική αγορά.
Όταν εφαρμόζονται σε άλλες χρήσεις, αρχίζουν να εμφανίζονται περιορισμοί στις χωρητικότητες των μπαταριών λιθίου-ιόντων. Για παράδειγμα, οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων φορτίζονται σχετικά αργά, και ενώ η γρήγορη φόρτιση είναι δυνατή, τείνει να βλάπτει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Η αργή φόρτιση αποτελεί διαρκές πρόβλημα για τους ιδιοκτήτες ηλεκτρικών οχημάτων και συχνά αναφέρεται ως λόγος για τον οποίο οι άνθρωποι αρνούνται να υιοθετήσουν ηλεκτρικά οχήματα.
Καθώς τα ηλεκτρικά οχήματα είναι πλέον ο μεγαλύτερος καταναλωτής μπαταριών κατά ισχύ, η νέα χημεία μπαταριών που φορτίζει πιο γρήγορα θα μπορούσε να γίνει γρήγορα δημοφιλής και να ανταγωνιστεί τα σχέδια λιθίου-ιόντων.
Μία τέτοια υποσχόμενη νέα χημεία είναι οι μπαταρίες λιθίου-θειού. Τα προηγούμενα σχέδια ήταν ακόμη πιο αργά στη φόρτιση από τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων, αλλά τα νέα νανοϋλικά θα μπορούσαν να κάνουν ένα ηλεκτρικό όχημα με μπαταρία λιθίου-θειού να φορτίζει σε μόλις 5 λεπτά.
Πλεονεκτήματα & Προκλήσεις των Λιθίου-Θειού
Η νέα τεχνολογία μπαταριών λιθίου-θειού ανακαλύφθηκε από ερευνητές σε κινέζικα και αυστραλιανά πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα (Adelaide, Tianjin, ANSTO και Tsinghua) και δημοσιεύτηκε στο Nature Nanotechnology με τίτλο “Developing high-power Li||S batteries via transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering”.
Οι μπαταρίες λιθίου-θειού είναι γνωστές εδώ και πολύ καιρό για την εκπληκτική ενεργειακή πυκνότητα τους, που είναι περισσότερο από διπλάσια από αυτή των κλασικών μπαταριών λιθίου-ιόντων όταν μετράται σε Wh/kg (συγκεκριμένη ενέργεια), και προσφέρουν ανώτερη απόδοση όταν μετράται σε Wh/L (συγκεκριμένη χωρητικότητα).
Πηγή: Vertex Holdings
Τα κύρια ζητήματα που έχουν εμποδίσει την ευρεία υιοθέτηση των πρωτοτύπων μπαταριών λιθίου-θειού μέχρι σήμερα είναι η χαμηλή διάρκεια ζωής (1/3 της διάρκειας των μπαταριών λιθίου-ιόντων) και η πολύ αργή ταχύτητα φόρτισης, η οποία απαιτεί 1-10 ώρες για πλήρη φόρτιση.
Κάτι προφανώς απαράδεκτο για τα ηλεκτρικά οχήματα, με τους χρήστες να παραπονιούνται ήδη για τα 20-30 λεπτά με τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων.
(Συζητήσαμε πολλές εναλλακτικές χημείες σε σχέση με το λιθίου-ιόντων στο άρθρο αναφοράς μας “The Future of Mobility – Battery Tech”).
Οι περιορισμοί των μπαταριών λιθίου-θειού έχουν αλλάξει ξαφνικά χάρη στην πρόσφατη ανακάλυψη που δημοσιεύτηκε στο Nature, με ένα νέο σχέδιο λιθίου-θειού που υπόσχεται εκπληκτικές επιδόσεις:
- Διάρκεια ζωής τουλάχιστον 1.000 κύκλοι, παρόμοια με τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων.
- Συγκεκριμένη ενέργεια 1.306 Wh/kg, 10 φορές περισσότερο από τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων, και ακόμη ανώτερη από τα περισσότερα σχέδια στερεών μπαταριών.
- Κύκλος φόρτισης/αποφόρτισης λιγότερο από 5 λεπτά.
Κατασκευή Μπαταριών Λιθίου-Θειού σε Νανοκλίμακα
Λοιπόν, πώς κατάφεραν οι ερευνητές να δημιουργήσουν αυτό που φαίνεται να είναι η τέλεια μπαταρία;
Πρώτα, εξέτασαν σε ατομικό/κβαντικό επίπεδο την αντίδραση μείωσης του θείου (SRR), το βασικό μέρος που ελέγχει τον ρυθμό φόρτισης/αποφόρτισης. Για να το επιτύχουν, χρησιμοποίησαν επιταχυντή σωματιδίων (Australian Synchrotron, ANSTO) για να καθορίσουν την ακριβή κατοχή ατομικών τροχιακών (η θέση των ηλεκτρονίων γύρω από το άτομο του θείου) στα καταλύτες βάσει μετάλλου.
Με αυτά τα δεδομένα που δεν είχαν αναλυθεί ποτέ πριν, κατάφεραν να προβλέψουν με ακρίβεια την ταχύτητα και τη διαδικασία της αντίδρασης μείωσης του θείου (SRR).
Με αυτό το προβλεπτικό μοντέλο, σχεδίασαν στη συνέχεια νανοσύνθετους ηλεκτροκαταλύτες, κατασκευασμένους από άνθρακα και διάφορα κράματα μεταλλικών ηλεκτροκαταλυτών όπως σίδηρος, κοβάλτιο, νικέλιο, χαλκό και ψευδάργυρο.
Τελικά, επιλέχθηκε ένα κράμα κοβαλτίου και ψευδαργύρου, με τις αξιοσημείωτες επιδόσεις που εξηγήθηκαν παραπάνω.
Τι Ακολουθεί;
Η ανάπτυξη μιας τέτοιας “υπερμπαταρίας” θα μπορούσε να αποτελεί σημείο καμπής στην ηλεκτροποίηση των ενεργειακών μας συστημάτων, από τις μεταφορές μέχρι τη μαζική υιοθέτηση των ανανεώσιμων πηγών που απαιτούν ισχυρές μπαταρίες κλίμακας κοινής ωφέλειας.
Ωστόσο, είναι ακόμη πρώιμο στάδιο, και χρειάζεται να απαντηθούν ορισμένα ερωτήματα πριν οι μπαταρίες λιθίου-θειού κυριαρχήσουν.
Σπάνια Υλικά
Οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων & οι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων προσπαθούν εδώ και χρόνια να απομακρυνθούν από σχέδια που χρησιμοποιούν κοβάλτιο. Αυτό οφείλεται στο ότι το κοβάλτιο είναι ένα σπάνιο ορυκτό, και η κύρια πηγή του είναι το Κονγκό, όπου η παραγωγή κοβαλτίου συνδέεται με παιδική και δουλεμική εργασία και γενικά παραβιάσεις ανθρωπίνων δικαιωμάτων.
Έτσι, το νανοσυστάδες κοβαλτίου-ψευδαργύρου που χρησιμοποιείται στον ηλεκτροκαταλύτη θα πρέπει επίσης να αντιμετωπίσει αυτό το ζήτημα.
Κόστη
Τα υψηλά κόστη υλικών είναι ένας ακόμη λόγος για τον οποίο η βιομηχανία απομακρύνεται από σχέδια βασισμένα σε κοβάλτιο, υπέρ μπαταριών στερεής κατάστασης, λιθίου-σιδηροφωσφορικού (LFP) ή νατρίου-ιόντων.
Έτσι, αυτό θα μπορούσε να αποτελεί πρόβλημα για τις μπαταρίες λιθίου-θειού βασισμένες σε κοβάλτιο. Ακόμη και αν είναι πολύ πιο αποδοτικές και ενεργειακά πυκνές από τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων.
Ταυτόχρονα, η εξαιρετικά υψηλή συγκεκριμένη ενέργεια σημαίνει ότι θα χρειάζονται λιγότερες μπαταρίες για το ίδιο εύρος του ηλεκτρικού οχήματος.
Αυτό, με τη σειρά του, μειώνει σημαντικά το βάρος του ηλεκτρικού οχήματος, καθώς οι μπαταρίες αποτελούν σήμερα πάνω από το 25 % του βάρους του οχήματος. Το χαμηλότερο βάρος αυξάνει ακόμη περισσότερο την αυτονομία.
Οι πραγματικοί καθοριστικοί παράγοντες θα είναι η τιμή ανά Wh των μπαταριών λιθίου-θειού και πόσο χαμηλότερο μπορεί να μειωθεί το βάρος του πακέτου μπαταρίας.
Μαζική Παραγωγή
Η τελευταία δεκαετία έχει δει πληθώρα καινοτόμων υλικών και σχεδίων στην τεχνολογία μπαταριών. Ωστόσο, η μετατροπή ενός εργαστηριακού κέρματος-κύτταρου σε πακέτο μπαταριών και, στη συνέχεια, η δημιουργία μιας διαδικασίας βιομηχανικής κλίμακας για την κατασκευή τους δεν είναι κάτι απλό.
Δεν οφείλεται στο ότι η τεχνολογία δεν λειτουργεί, αλλά στο ότι η μαζική παραγωγή στερεών μπαταριών σε κλίμακα, χωρίς προβλήματα ποιότητας & με χαμηλό κόστος, αποδείχθηκε πολύ δύσκολη.
Έτσι, πιθανότατα υπάρχουν ακόμη πολλά βήματα πριν το πρωτότυπο λιθίου-θειού μετατραπεί σε εμπορική μπαταρία.
Συμπέρασμα
Οι μπαταρίες αποτελούν το αδύναμο σημείο των ηλεκτρικών οχημάτων από την αρχή, κάτι που λύνει αργά χάρη στις τεράστιες ερευνητικές προσπάθειες πανεπιστημίων παγκοσμίως, καθώς και ηγετών της βιομηχανίας όπως CATL, Telsa, LG κ.λπ.
Δεν είναι σαφές ποιο σχέδιο ή χημεία θα επικρατήσει τελικά. Ο ισχυρότερος υποψήφιος φαίνεται να είναι οι στερεές μπαταρίες, και το λιθίου-θειού μπορεί να είναι η γενιά μπαταριών που θα έρθει μετά την εμπορευματοποίηση των στερεών μπαταριών.
Οι μπαταρίες LFP και νάτριο-ιόντων μπορεί επίσης να παραμείνουν για εφαρμογές και προϊόντα που εστιάζουν σε χαμηλό κόστος αντί για υψηλή απόδοση.
Και φυσικά, ίσως ακόμη πιο εξωτικές σχεδιάσεις για μπαταρίες κλίμακας κοινής ωφέλειας με πολύ διαφορετικές απαιτήσεις σε σύγκριση με τα ηλεκτρικά οχήματα, όπως σιδήρου-αέρα, redox, βαρύτητας ή σκυροδέματος, που συζητήσαμε στα άρθρα “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” και “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition”.
Σε κάθε περίπτωση, το μέλλον των ενεργειακών συστημάτων τείνει προς τη μαζική ηλεκτροποίηση. Και η τεχνολογία μπαταριών προοδεύει πολύ γρήγορα, κάτι που πιθανότατα θα αφαιρέσει το τελευταίο εμπόδιο προς τη μαζική υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων και των ανανεώσιμων πηγών.
