Οι ερευνητές μπαταριών του Πανεπιστημίου Dalhousie, με επικεφαλής τον Jeff Dahn και χρηματοδότηση από την Tesla, ίσως μόλις σημείωσαν σημαντική πρόοδο στην ανάπτυξη μπαταριών λιθίου μεγάλης διάρκειας. Ένας ειδικός τύπος κυψέλης θα μπορούσε να αυξήσει τη διάρκεια ζωής κατά οκτώ φορές και έτσι να διαρκέσει πολύ περισσότερο από ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Ωστόσο, ίσως η σημαντικότερη χρήση για αυτές τις μπαταρίες να αφορά την αποθήκευση ενέργειας, που ήδη απασχολεί τον κόσμο.
Οι επιστήμονες διερεύνησαν μπαταρίες με τα λεγόμενα μονοκρυσταλλικά ηλεκτρόδια, τα οποία έχουν σημαντικά μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από τα συμβατικά. Οι δοκιμές έδειξαν ότι η νέα μπαταρία άντεξε περισσότερους από 20.000 κύκλους φόρτισης προτού η χωρητικότητά της μειωθεί στο 80% της αρχικής. Η συμβατική μπαταρία ιόντων λιθίου που χρησιμοποιήθηκε για σύγκριση έφτασε στο 80 τοις εκατό μετά από περίπου 2.400 κύκλους φόρτισης. Οι 20.000 κύκλοι αντιστοιχούν σε 8.000.000 Km για ένα αυτοκίνητο.
Ωστόσο, η δημοσίευση των ερευνητών δεν αφορά ουσιαστικά τα μονοκρυσταλλικά ηλεκτρόδια, καθώς η τεχνολογία τους είναι ήδη αρκετά παλιά (6 ετών τουλάχιστον). Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της μονοκρυσταλλικής κυψέλης NMC532 και, για λόγους σύγκρισης, μιας συμβατικής, πολυκρυσταλλικής κυψέλης NMC622 είναι νέα: με ένα υψηλής ενέργειας synchrotron XRD (SR-XRD).
Η περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD) χρησιμοποιείται εδώ και δεκαετίες για πειράματα in situ και operando μπαταριών, στα οποία οι κυψέλες σε μπαταρίες μπορούν να αναλυθούν κατά τη λειτουργία τους, χωρίς να καταστραφούν. Με την περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας SR-XRD, είναι δυνατή η λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης. Ωστόσο, αυτό απαιτεί προηγμένες πηγές ακτινοβολίας, γεγονός που έχει περιορίσει τον αριθμό των αντίστοιχων μελετών. Στη δημοσίευσή τους, οι ερευνητές του Dalhouise επισημαίνουν ότι «υπάρχουν σχετικά λίγες δημοσιευμένες μελέτες SR-XRD που έχουν χρησιμοποιήσει εμπορικά κατασκευασμένες κυψέλες για τη μελέτη του degradation τους».
Δείτε επίσης:
NCM, NCA, LFP, solid-state: Ποια είναι η “καλύτερη” μπαταρία EV;
«Η κύρια εστίαση της έρευνάς μας ήταν να κατανοήσουμε πώς εξελίσσεται η βλάβη και η κόπωση στο εσωτερικό μιας μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου και πώς μπορούμε να την αποτρέψουμε», λέει ο Toby Bond, ανώτερος επιστήμονας στο CLS, ο οποίος διεξήγαγε την έρευνα για το διδακτορικό του υπό την επίβλεψη του καθηγητή Jeff Dahn, ομότιμου καθηγητή και κύριου ερευνητή (NSERC/Tesla Canada/Dalhousie Alliance Grant) στο Πανεπιστήμιο Dalhousie. Η Tesla Canada και το NSERC χρηματοδότησαν τη μελέτη στο πλαίσιο του προγράμματος επιχορήγησης Alliance Grant.
Στην πολυκρυσταλλική κυψέλη NMC622, η ερευνητική ομάδα εντόπισε πολυάριθμες μικροσκοπικές ρωγμές στα ηλεκτρόδια που προκλήθηκαν από επανειλημμένες φορτίσεις και εκφορτίσεις (σε διάστημα περίπου 2,5 ετών). «Τελικά, υπήρχαν τόσες πολλές ρωγμές που το ηλεκτρόδιο ουσιαστικά κονιορτοποιήθηκε», λέει ο Bond. Ωστόσο, όταν το μονοκρυσταλλικό cell NMC532 υποβλήθηκε σε ακτινογραφία, οι ερευνητές δεν μπόρεσαν να αναγνωρίσουν καμία τέτοια μηχανική καταπόνηση με τη μορφή ρωγμών. «Στις εικόνες μας, έμοιαζε πολύ με ένα ολοκαίνουργιο cell. Σχεδόν δεν μπορούσαμε να καταλάβουμε τη διαφορά», προσθέτει ο Bond.
Οι ερευνητές αποδίδουν αυτή την πολύ διαφορετική συμπεριφορά όχι στην ελαφρώς διαφορετική σύνθεση της καθόδου (NMC532 σε NMC622), αλλά στη δομή των σωματιδίων. Τα σωματίδια του ενεργού υλικού που βρίσκονται στην επιφάνεια της καθόδου είναι έως και 50 φορές μικρότερα από μια ανθρώπινη τρίχα. Στην περίπτωση των πολυκρυσταλλικών ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται συνήθως σήμερα, οι ερευνητές παρομοιάζουν τη δομή τους με νιφάδες χιονιού που πιέζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μια χιονόμπαλα – εξαιρετικά λεπτές δομές αλληλοσυνδέονται με πολύ περίπλοκο τρόπο, αλλά υπάρχουν ελεύθεροι χώροι ανάμεσά τους. Σε αυτή την αναλογία, ο μονοκρύσταλλος μοιάζει περισσότερο με παγάκι. «Αν έχετε μια χιονόμπαλα στο ένα χέρι και ένα παγάκι στο άλλο, είναι πολύ πιο εύκολο να συνθλίψετε τη χιονόμπαλα», λέει ο Μποντ. «Ο κύβος πάγου είναι πολύ πιο ανθεκτικός στη μηχανική καταπόνηση και την πίεση».
Αυτό το εύρημα δεν είναι από μόνο του πρωτοποριακό, καθώς η αντίσταση των μονοκρυστάλλων σε μικρορωγμές είναι ήδη γνωστή. Ωστόσο, τα νέα, λεπτομερή αποτελέσματα της έρευνας θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη στρατηγικών για τον μετριασμό των μικρορωγμών – όπως επιστρώσεις, μονοκρυσταλλικές καθόδους ή άλλες παρεμβάσεις που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία.
Οι ερευνητές δεν ενδιαφέρονται να μπορέσουν στην πραγματικότητα να διανύσουν οκτώ εκατομμύρια χιλιόμετρα με ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο με μία μπαταρία, αλλά για την όλη χρήση της πέρα από τη χρήση της στο όχημα. Ο Jeff Dahn είχε ήδη ξεκαθαρίσει σε ένα συνέδριο το 2022 ότι μια μπαταρία με 800 κύκλους θα ήταν αρκετή για ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο – αλλά μπαταρίες με 10.000 κύκλους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για 25 χρόνια ως σταθερό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, ώστε το ενεργειακό σύστημα να εξαρτάται λιγότερο από τα ορυκτά καύσιμα.
Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Ακολουθήστε μας στο Google News, στο YouTube, στο Facebook και στο Instagram!
Δείτε επίσης:
Κάθε πότε να φορτίζω τη μπαταρία του ηλεκτρικού μου δικύκλου;
Πηγή: Electrive
