Γιατί οι μπαταρίες χάνουν την απόδοσή τους;

Η λύση του μυστηρίου
06 Οκτωβρίου 2014 14:56
Γιατί οι μπαταρίες χάνουν την απόδοσή τους;

Κάθε φορά που επαναφορτίζουμε μπαταρίες με ιόντα λιθίου, η αποθηκευτική τους ικανότητα μειώνεται ως ένα μικρό βαθμό. Για αυτό το λόγο παρατηρείτε πως οι ηλεκτρονικές σας συσκευές, δεν έχουν τη ίδια διάρκεια ζωής της μπαταρίας με αυτή που είχαν πριν ένα χρόνο. Ο λόγος μέχρι πρόσφατα ήταν άγνωστος, αλλά χάρη στην έρευνα που πραγματοποίησε το Τμήμα Ενέργειας (Department of Energy) των Ηνωμένων Πολιτειών, μάθαμε επιτέλους γιατί συμβαίνει αυτό και το κυριότερο, πώς να το σταματήσουμε.

Όταν μια μπαταρία λιθίου εκφορτίζεται, τα ιόντα λιθίου (Li+) μεταφέρουν ηλεκτρικό φορτίο από την άνοδο στην κάθοδο, μέσω ενός ηλεκτρολύτη. Έτσι παράγει την ενέργεια το smartphone σας. Δεν είναι ένα σύστημα χωρίς απώλειες όμως, καθώς κάθε φορά που τα ιόντα λιθίου κινούνται μέσα στη μπαταρία, προκαλούν φθορά στη δομική ακεραιότητα  των ηλεκτροδίων και αυτό είναι που κάνει την μπαταρία να χάσει τη χωρητικότητα της με τον καιρό.

Δυο πρόσφατες μελέτες που δημοσιεύτηκαν στο Nature Communications, από τα εργαστήρια του DoE έχουν ως στόχο να χαρτογραφήσουν αυτά τα κρίσιμα δισεκατομμυριοστά του μέτρου και να βελτιώσουν τη χημεία των μπαταριών με ακρίβεια στην κλίμακα νανομέτρων. “Ανακαλύψαμε έκπληκτοι μια εξέλιξη και υποβάθμιση σε δύο κρίσιμα υλικά της μπαταρίας, που δεν είχαμε δει μέχρι πρότινος”, δηλώνει ο Huolin Xin του Brookhaven Lab’s Center for Functional Nanomaterials (CFN) και υπογράφων των δύο μελετών. “Σε αντίθεση με την παρακολούθηση σε μεγάλη κλίμακα, οι αντιδράσεις των ιόντων λιθίου στην πραγματικότητα φθείρουν τα υλικά ανομοιόμορφα, εκμεταλλευόμενα τις δομικές αδυναμίες τους σε ατομικό επίπεδο, με τον ίδιο τρόπο που η σκουριά εισχωρεί ανομοιόμορφα στο σίδερο”. Καθώς λοιπόν τα ιόντα λιθίου κινούνται στην άνοδο από οξείδιο νικελίου κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, προκαλούν μικρές ρωγμές στο υλικό, μειώνοντας τις δυνατότητες του.

Για να γίνει η παρακολούθηση εφικτή, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να ανιχνεύουν άμεσα οπτικά τις χημικές αλλαγές των μερών της μπαταρίας. Μπόρεσαν, έτσι, να παρακολουθήσουν την άνοδο από οξείδιο νικελίου και την κάθοδο από οξείδια νικελίου-λιθίου- κοβαλτίου-μαγγανίου, γνωστά υλικά για την υψηλή χωρητικότητα και αντοχή τους. Για να αντιληφθούν πως αντιδρούν τα ιόντα λιθίου όταν έρχονται σε επαφή με το οξείδιο νικελίου, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ένα ειδικό software, το οποίο αναπαριστά τις νανοκατασκευές σε τρεις διαστάσεις με ανάλυση ενός νανομέτρου.

“Φανταστείτε τις χιονονιφάδες, οι οποίες σχηματίζονται μόνο όταν υπάρχουν μικρά σωματίδια σκόνης στον αέρα”, εξηγεί ο Xin. “Χωρίς μια ανωμαλία για να κρατηθούν, οι κρύσταλλοι δε θα μπορούσαν να σχηματιστούν. Η άνοδος από οξείδιο νικελίου, μετατρέπεται σε μεταλλικό νίκελ μόνο μέσα από ανομοιογένειες η ελαττώματα στην επιφάνεια της κατασκευής σε κλίμακα νανομέτρων”.

Στη δεύτερη μελέτη οι επιστήμονες έψαξαν την κατάλληλη παροχή ηλεκτρισμού για υψηλής απόδοσης λιθίου-νικελίου-μαγγανίου-κοβαλτίου (NMC) καθόδου. Πόσο φορτίο μπορεί να αποθηκευτεί, με τι ένταση και για πόσους κύκλους; Όπως αποκάλυψε η έρευνα, στα 4.7V υπήρχε ταχεία αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη και οι κύκλοι ήταν λίγοι. Τα 4.3V όμως πρόσφεραν μεγαλύτερο κύκλο ζωής θυσιάζοντας αποθηκευτικό χώρο. “Όσο τα ιόντα λιθίου περνούν από τα διάφορα στρώματα, προκαλούν μαζική κρυσταλλοποίηση, η επιφάνεια καλύπτεται από αυτό το στρώμα μειώνοντας την απόδοση. Το φαινόμενο ήταν πιο έντονο στα σημεία επαφής των ιόντων, ακριβώς κάτω από το TEM.

Με μεγαλύτερη ένταση ήταν πιο εμφανές και προκαλούσε πιο γρήγορη υποβάθμιση του μέσου. Ίσως να μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε ένα μηχανισμό απόθεσης σε ατομικό επίπεδο για να επενδύσουμε τις NMC καθόδους με στοιχεία που αντιστέκονται στην κρυσταλλοποίηση” καταλήγει ο Xin.

Ο καθηγητής Νανομηχανικής του πανεπιστημίου του San Diego, Shirley Meng, δηλώνει πως “αυτή η υπέροχη έρευνα συνδυάζει διάφορα εργαλεία που μας αποκαλύπτουν τα πάντα για τα οξείδια NMC, ένα από τα πιο υποσχόμενα υλικά καθόδων για χρήση υψηλής τάσης που επιτρέπει μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Τα συμπεράσματα της έρευνας θα μας βοηθήσουν να βελτιώσουμε τις στρατηγικές μας για αυτού του είδους τα υλικά καθόδων”.

Η επιστήμη και η τεχνολογία προχωρούν μαζί για την αντιμετώπιση των προβλημάτων των μπαταριών. Με τις νέες ανακαλύψεις και εφευρέσεις τον τελευταίο χρόνο, οδεύουμε επιτέλους προς τη βελτίωση ενός τομέα που έχει μείνει για πολλά χρόνια στάσιμος, παρά την πρόοδο της τεχνολογίας σε άλλους τομείς. Η μπαταρία, είναι απαραίτητη τώρα περισσότερο από ποτέ, καθώς όλο και μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρονικών συσκευών βασίζεται σε αυτή για την ενέργεια τους και οι χρήστες μένουν δέσμιοι της περιορισμένης αυτονομίας τους.  

Tags: