Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν βελτιωθεί αρκετά με την πάροδο των ετών, η έρευνα εστιάζει πλέον σε νέες αρχιτεκτονικές μπαταριών που παρέχουν καλύτερη απόδοση. Μέρος αυτής της έρευνας έχει επικεντρωθεί σε υλικά όπως το πυρίτιο ή το θείο που μπορούν ενδεχομένως να αποθηκεύσουν πολύ περισσότερο λίθιο από τα υπάρχοντα υλικά ηλεκτροδίων. Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες συστάσεις μπαταριών που δεν έχουν ανάγκη την ύπαρξη ηλεκτροδίων όπως οι μπαταρίες λιθίου-αέρα και λιθίου-μετάλλου.
Οι εν λόγω τεχνολογίες αντιμετωπίζουν προβλήματα σταθερότητας και διακρίνονται από μικρή διάρκεια ζωής σε σύγκριση με τις υπάρχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου (αν και ήδη χρησιμοποιούνται μπαταρίες με προσθήκη μικρών ποσοτήτων πυριτίου). Ωστόσο, μια εταιρεία ανακοίνωσε ότι η μπαταρία λιθίου-μετάλλου που έχει υπό ανάπτυξη, διακρίνεται από σταθερότητα που είναι ανταγωνιστική με τις υπάρχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου, διατηρώντας το 80% της αρχικής χωρητικότητας της μετά από σχεδόν 700 κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης. Το δεδομένο αυτό έχει επικυρωθεί από ανεξάρτητο εργαστήριο δοκιμών.
Λεπτομέρειες επί της νέας αυτής τεχνολογίας και των εφαρμογών των μπαταριών λιθίου-μετάλλου δίνει ο Richard Wang, ιδρυτής της Cuberg, θυγατρικής του γίγαντα των μπαταριών Northvolt.
Η στροφή προς το μέταλλο
Οι υπάρχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν υλικά ηλεκτροδίων που είναι σε θέση να αποθηκεύουν ιόντα λιθίου, ή άτομα, σε κατάλληλες θέσεις εντός της δομής τους. Αντίθετα, οι μπαταρίες λιθίου - μετάλλου απλώς σχηματίζουν ένα στρώμα λιθίου σε ένα από τα ηλεκτρόδια, εξαλείφοντας την ανάγκη για ένα υλικό ηλεκτροδίου που φιλοξενεί τα ιόντα λιθίου εντός της δομής του, οπότε εξοικονομείται βάρος και όγκος. Σε σύγκριση με τις υπάρχουσες μπαταρίες ιόντων λιθίου, η νέα μπαταρία θα αποθηκεύει την ίδια ποσότητα φόρτισης είτε σε μικρότερου μεγέθους ή πιο ελαφριές μπαταρίες.
Μέχρι στιγμής, ωστόσο, οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου τείνουν να έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής. Μέρος του προβλήματος προέρχεται από τον ανομοιόμορφο τρόπο που εναποτίθεται το λίθιο επί του ηλεκτροδίου κατά τη διάρκεια πολλαπλών κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης. Αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό μεταλλικών ακάνθων που ονομάζονται δενδρίτες που μπορούν να βλάψουν άλλα εξαρτήματα της μπαταρίας και ενδεχομένως να δημιουργήσουν βραχυκύκλωμα. Ένα δεύτερο πρόβλημα είναι ότι το λίθιο είναι αρκετά δραστικό και μπορεί επομένως να αντιδράσει με τις χημικές ουσίες στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας.
Οι ίδιες οι αντιδράσεις μπορούν να υποβαθμίσουν τον ηλεκτρολύτη. Αλλά μπορούν επίσης να επικαλύψουν το ηλεκτρόδιο με υλικά που δυσκολεύουν τον σχηματισμό ομοιόμορφης επίστρωσης λιθίου, δημιουργώντας ένα αυτοενισχυόμενο πρόβλημα. «Όλη αυτή η νέα επιφάνεια θα αντιδράσει με τον ηλεκτρολύτη και θα σχηματίσει διάφορα είδη χημικών ουσιών στη διεπαφή», είπε ο Wang. «Και τότε αυτές οι ουσίες τείνουν να σχηματίζονται επίσης με ανομοιόμορφους τρόπους, και ίσως τμήματα τους γίνονται μονωτικά, άλλα τμήματα είναι αγώγιμα και τότε έχετε όλο και περισσότερη ανομοιομορφία, η οποία και προφανώς υποβαθμίζει την απόδοση της μπαταρίας».
Υπάρχει δυνατότητα να αποτραπεί αυτό; Από την ίδρυση της, η Cuberg έχει επικεντρωθεί στον ηλεκτρολύτη. Η εταιρεία χρησιμοποιεί ένα ιοντικό υγρό ως βάση του ηλεκτρολύτη της.
Ο Wang το περιέγραψε ως ένα ιοντικό άλας που είναι σε τηγμένη μορφή σε θερμοκρασία δωματίου (αν και συνήθως τα ιόντα είναι οργανικές χημικές ουσίες, παρά στοιχεία). Αυτές οι ουσίες έχουν δοκιμαστεί στο παρελθόν αλλά τείνουν να είναι παχύρρευστες, γεγονός που παρεμποδίζει την κίνηση των ιόντων λιθίου. Για να αποφευχθεί αυτό, η Cuberg αναμιγνύει πρόσθετα χημικά (ένα από αυτά είναι μια οργανική χημική ουσία που ονομάζεται αιθέρας) για να μειώσει το ιξώδες και να βελτιώσει τη σταθερότητα.
Αν και αυτό το μείγμα μπορεί ακόμα να αντιδράσει με το λίθιο, είναι σχεδιασμένο να προκαλεί λιγότερα προβλήματα ακόμη και όταν αυτό συμβαίνει. «Ο άλλος βασικός παράγοντας είναι πώς προσαρμόζουμε την αντιδραστικότητα έτσι ώστε όταν συμβαίνει αντίδραση, να έχουμε αυτό το είδος προστατευτικής, ομοιόμορφης επιφάνειας», είπε ο Wang.
Ποιο είναι το αποτέλεσμα; Αρχικά, μια σημαντικά υψηλότερη πυκνότητα φορτίου. Ενώ η πλειοψηφία των μπαταριών ιόντων λιθίου έχουν πυκνότητα ισχύος στην περιοχή των 270 watt-hours/κιλό, μια ανάλογη μπαταρία που βασίζεται στην τεχνολογία της Cuberg, έφτασε τα 380 Wh/kg (αύξηση της τάξης του 40%). Όταν ένα ανεξάρτητο εργαστήριο τοποθέτησε την μπαταρία σε έναν κύκλο αποφόρτισης μίας ώρας και φόρτισης δύο ωρών, διαπίστωσε ότι η μπαταρία χρειάστηκε πάνω από 670 κύκλους για να πέσει η χωρητικότητά της στο 80% της αρχικής της. Για σύγκριση, πολλές μπαταρίες ιόντων λιθίου στοχεύουν σε διάρκεια ζωής 500 κύκλων.
Ο Wang σημείωσε ότι αυτή η δοκιμή χρησιμοποιούσε σταθερό ρυθμό φόρτισης καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου, ενώ πολλές μπαταρίες χρησιμοποιούν τώρα μια βελτιστοποιημένη ρουτίνα φόρτισης που αλλάζει τον ρυθμό με βάση το πόσο κοντά είναι η μπαταρία στην πλήρη φόρτιση. Δεδομένου ότι η δημιουργία ενός ομοιόμορφου στρώματος λιθίου-μετάλλου είναι πολύ ευαίσθητη σε σχέση με την ποσότητα των ιόντων λιθίου που εναποτίθενται στο ηλεκτρόδιο, είναι πιθανό να επιτευχθεί ακόμη καλύτερη απόδοση αν βελτιστοποιηθεί αυτή η παράμετρος.
Πότε θα δούμε μπαταρίες λιθίου - μετάλλου στην αγορά;
Ο Wang είπε ότι, εκτός από τον ηλεκτρολύτη, τα περισσότερα από τα υλικά της μπαταρίας είναι τυπικά εξαρτήματα που ήδη χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μπαταριών και συμβατά με τις υπάρχουσες βιομηχανικές εγκαταστάσεις παραγωγής που διαθέτει η Northvolt. Έτσι, θεωρητικά, οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου θα μπορούσαν να εισέλθουν σε παραγωγή σχετικά σύντομα. Ο Wang είπε ότι η εταιρεία αναμένει ανάλογες μπαταρίες να μπορούν να διατεθούν στους τελικούς χρήστες μέχρι το 2025.
Ωστόσο, δεν αναφέρεται σε μπαταρίες καταναλωτικών ηλεκτρονικών. Η Northvolt δε θα στοχεύει καταναλωτικές εφαρμογές ή ακόμα και αυτοκίνητα αλλά θα στοχεύσει σε μια εξαιρετικά υποσχόμενη αγορά: τις αεροπορικές πτήσεις.
Ένας από τους βασικούς λόγους για αυτό, εξήγησε ο Wang, είναι η τιμή. Οι αρχικές μπαταρίες παραγωγής είναι πιθανό να είναι αρκετά ακριβές σε σύγκριση με την υπάρχουσα τεχνολογία μπαταριών, όπου είχαμε πολλά χρόνια για να βελτιστοποιήσουμε τη διαδικασία παραγωγής και να δημιουργήσουμε οικονομίες κλίμακας. Και αυτό κάνει την τεχνολογία της Cuberg να μην ταιριάζει σε πολλές αγορές. «Πηγαίνετε να μιλήσετε με πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες σήμερα και να τους πείτε ότι μπορώ να σας δώσω 20, 30, 40% περισσότερη ενεργειακή πυκνότητα», αστειεύτηκε ο Wang, και η απάντηση συνήθως είναι «ΟΚ, αυτό είναι υπέροχο, θα το πάρω. Αλλά θα μειώσεις και το κόστος μου ανά κιλοβατώρα ταυτόχρονα;».
Οι αεροπορικές μεταφορές, τουλάχιστον προς το παρόν, είναι λιγότερο ευαίσθητες στο κόστος. Και, με βάση τα αρχικά σχέδια των ρυθμιστικών αρχών των ΗΠΑ και της Ε.Ε, το κόστος θα είναι σημαντικά εξαρτώμενο από την πυκνότητα φορτίου. Αυτό συμβαίνει επειδή οι κανονισμοί ασφαλείας θα απαιτούν υψηλά επίπεδα προστασίας από αναφλέξεις μπαταριών, γεγονός που θα προσθέσει σημαντικά στο συνολικό βάρος των συστημάτων μπαταριών. Άρα όσο το δυνατόν μεγαλύτερο μέρος του επιτρεπόμενου βάρους που απομένει, θα πρέπει να αφιερωθεί στην αποθήκευση φορτίου, μια συνθήκη όπου το οι μπαταρίες λιθίου-μετάλλου προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα.
«Όταν προσθέτετε όλα τα συστήματα ασφαλείας για να περάσετε πραγματικά το πλήρες φάσμα της πιστοποίησης, καταλήγετε με μια μπαταρία ιόντων λιθίου που είναι τόσο βαριά με αποτέλεσμα να μην είναι συμβατή με τη μέση απόσταση πτήσης», είπε ο Wang.
Τα αρχικά σχέδια αφορούν την παροχή ισχύος σε μικρά αεροσκάφη που μεταφέρουν κάτω από 10 άτομα μεταξύ περιφερειακών αεροδρομίων, καθώς και αεροσκάφη κάθετης απογείωσης. Ακόμη και με σημαντικές βελτιώσεις στις μπαταρίες, απέχουμε πολύ από τη δυνατότητα χρήσης σε μεγάλα επιβατικά αεροσκάφη.
Τι να αναμένουμε;
Ο Wang είπε ότι η κύρια παράμετρος που χρειάζεται ακόμα να βελτιώσει η Cuberg, είναι ο ρυθμός φόρτισης. Οι υπάρχουσες κυψέλες χρειάζονται δύο ώρες για να φορτίσουν πλήρως, διατηρώντας παράλληλα μία ικανοποιητική διάρκεια ζωής. Οι αεροπορικές εταιρείες έχουν υποδείξει ότι οι χρόνοι συντήρησης και ολοκλήρωσης των διαδικασιών μεταξύ πτήσεων είναι συνήθως της τάξης της μισής ώρας, γεγονός που θέτει έναν στόχο χρόνου φόρτισης που είναι πολύ μικρότερος από ό,τι μπορεί τώρα να διαχειριστεί η τεχνολογία της Cuberg. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, πιο έξυπνα πρωτόκολλα φόρτισης θα μπορούσαν να μειώσουν αυτό το χρόνο.
Ο Wang είπε επίσης ότι οι κανονισμοί της FAA απαιτούν εφεδρικό χρόνο πτήσης που σημαίνει επίσης ότι οι μπαταρίες δε θα αποφορτιστούν ποτέ πλήρως. Και αναμένει ότι η Cuberg θα επωφεληθεί από τις συνεχείς προόδους στο διαχωριστή και την άνοδο που κατασκευάζονται, έτσι κι αλλιώς, για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Ως εκ τούτου, ενώ η δική της τεχνολογία θα πρέπει να βελτιωθεί, δε θα είναι τόσο μακριά όσο αρχικά φαίνεται με βάση τις ανάγκες των αεροπορικών εταιρειών.
Εκτός των αεροπορικών μεταφορών, ο Wang είπε ότι η Cuberg εξετάζει άλλες μορφές μεταφορών που είναι δύσκολο να απαλλαγούν από τον άνθρακα, όπως οι οδικές μεταφορές μεγάλης εμβέλειας και η ακτοπλοΐα. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις, η δυνατότητα μεγαλύτερης πυκνότητας φορτίου στον ίδιο όγκο, μπορεί να είναι το κλειδί για την πραγματοποίηση μεγαλύτερων διαδρομών για αυτές τις κατηγορίες μεταφορών.
Αλλά η Northvolt αγόρασε την Cuberg εν μέρει για να τη λειτουργήσει ως τμήμα έρευνας και ανάπτυξης για όλες τις μπαταρίες της και η τεχνολογία που έχει αναπτύξει προορίζεται να είναι συμβατή με τις βιομηχανικές εγκαταστάσεις παραγωγής της εταιρείας. Το αν η τεχνολογία μπαταριών λιθίου - μετάλλου θα γίνει το επίκεντρο των γραμμών παραγωγής της Northvolt, θα εξαρτηθεί τελικά από την τιμή. Ο Wang είπε ότι το κατώτατο όριο τιμής για την τεχνολογία μπορεί να υπολογιστεί από τις πρώτες ύλες και είναι ανταγωνιστικό από πλευράς κόστους με τις υπάρχουσες τεχνολογίες ιόντων λιθίου. «Οι μπαταρίες της Cuberg θα είναι οικονομικά ανταγωνιστικές με την τεχνολογία ιόντων λιθίου, όταν φτάσουν στην πλήρη βελτιστοποίησή τους», είπε ο Wang, «αλλά αυτό μπορεί να γίνει πραγματικότητα μετά από 10 ή 15 χρόνια».
Προφανώς, αυτό δεν σημαίνει ότι θα πρέπει οι σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές να περιμένουν πολύ για να μπορούν να χρησιμοποιήσουν μπαταρίες λιθίου-μετάλλου. Πολλές άλλες εταιρείες εργάζονται στο πρόβλημα και μερικές από αυτές μπορεί να έχουν διαφορετικές ιδέες για τις αγορές που θα στοχεύσουν, ενώ πιθανά χρησιμοποιούν διαφορετικές προσεγγίσεις για τη σταθεροποίηση του λιθίου σε σχέση με την προσέγγιση της Cuberg. Και, με βάση τα αποτελέσματα της Cuberg, δεν υπάρχει κανένα εγγενές εμπόδιο για μια σταθερή μπαταρία λιθίου-μετάλλου.
Με πληροφορίες από Arstechnica.com
