Τι είναι οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης;

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Μία από τις ενδιαφέρουσες τεχνολογικές αλλαγές από τα τέλη της δεκαετίας του 1980 έως σήμερα είναι το πόσο περισσότερο αλληλεπιδρούμε με τις μπαταρίες. Οι πρώτες μπαταρίες στερεάς κατάστασης (solid-state batteries), που αναπτύχθηκαν το 1800, προέκυψαν από την επιστημονική περιέργεια του Michael Faraday. Πριν από τριάντα χρόνια, χρειαζόμασταν μπαταρίες μεγέθους C για φακούς, AA για Walkman ή Discman και ίσως μερικές AAA για τηλεχειριστήρια, αλλά ο,τιδήποτε σημαντικό έπρεπε να διαθέτει σταθερή παροχή ρεύματος. Σήμερα, οι μπαταρίες αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της ζωής μας καθώς τροφοδοτούν με ενέργεια τα τηλέφωνα και τους φορητούς υπολογιστές, στους οποίους βασιζόμαστε για εργασία και αναψυχή, αλλά και τα οχήματα μας.

Ένας τύπος χημείας μπαταρίας που αναφέρεται συχνά είναι η λεγόμενη «μπαταρία στερεάς κατάστασης». Τι κάνει λοιπόν μια μπαταρία στερεάς κατάστασης διαφορετική από μια «κανονική» μπαταρία, όπως οι αλκαλικές μπαταρίες σε έναν φακό ή οι μπαταρίες μολύβδου - οξέος στα αυτοκίνητα μας;

Η μπαταρία είναι μια συσκευή αποθήκευσης ενέργειας με θετικά και αρνητικά φορτισμένους πόλους που συνδέονται εσωτερικά μέσω ενός αγώγιμου μέσου που ονομάζεται ηλεκτρολύτης. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν έναν στερεό ή ημι-στερεό ηλεκτρολύτη, όπως ένα κράμα, ένα πολυμερές, μία πάστα ή γέλη, σε αντίθεση με το λουτρό υγρού ηλεκτρολύτη που απαντάται στις περισσότερες συμβατικές χημείες μπαταριών. 

Στη χημεία των μπαταριών, υπάρχουν στερεές ενώσεις διαφόρων ειδών. Φυσικά, δεν είναι όλοι οι ηλεκτρολύτες ίδιοι. Όλοι επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρονίων αλλά με διαφορετικό τρόπο. Μερικοί ηλεκτρολύτες είναι κρυσταλλικά στερεά, όπως μεταλλικά κράματα λιθίου, άλλοι αποτελούνται από φύλλα πλαστικού ή κεραμικού και άλλοι είναι κατασκευασμένοι από πολυμερή gel.

Το απλούστερο παράδειγμα στερεού ηλεκτρολύτη μπορεί να είναι η πατάτα.. Οι πατάτες παρόλο που φαίνονται ιδιαίτερα συμπαγείς, περιέχουν αρκετή υγρασία ώστε να επιτρέπουν την αγωγή ηλεκτρονίων και ιόντων μέσω της μήτρας πρωτεΐνης και αμύλου τους. Βάλτε ένα κέρμα και μια γαλβανισμένη βίδα σε μια πατάτα, συνδέστε τα σε ένα λαμπτήρα LED και εκείνος θα ανάψει. 

Οι πατάτες είναι επίσης ένα εξαιρετικό παράδειγμα μπαταρίας σχεδόν στερεάς κατάστασης (quasi-solid-state battery). Ορισμένες μπαταρίες στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν στερεή μήτρα εμποτισμένη με ένα αγώγιμο διάλυμα. Οι διασυνδεδεμένες πρωτεΐνες και τα πολυμερή αμύλου σε μια πατάτα σχηματίζουν μια μήτρα μέσω της οποίας κυκλοφορούν τα ιόντα.

Το λίθιο είναι το μέταλλο επιλογής για πολλές μπαταρίες στερεάς κατάστασης λόγω της υψηλής ενεργειακής του πυκνότητας. Δομικά, αυτές οι ευρέως χρησιμοποιούμενες μπαταρίες χρησιμοποιούν ιόντα λιθίου (Li+), συνήθως LiCoO₂ και LiMn₂O₄ στην κάθοδο και ηλεκτρολύτη, ενώ η άνοδος τους είναι συχνά κατασκευασμένη από γραφίτη ή πυρίτιο.

Γιατί λίθιο; Τα άτομα λιθίου είναι μικροσκοπικά και στοιβάζονται σε μικρό όγκο, με συνέπεια σε ένα δείγμα μεταλλικού λιθίου να υπάρχουν πολλά μόνιμα ηλεκτρόνια και ιόντα λιθίου ανά μονάδα μάζας. Ωστόσο, επειδή το λίθιο έχει χαμηλό ατομικό βάρος, οι πυρήνες των ατόμων του λιθίου διαχωρίζονται εύκολα από τα ηλεκτρόνια τους.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion batteries, LiBs) έχουν τη μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα μάζας από οποιαδήποτε μπαταρία στερεάς κατάστασης, προσεγγίζοντας τιμές της τάξης των 1,6κWh ανά κιλό. Είναι επίσης συνήθως επαναφορτιζόμενες. Αυτά τα δύο πλεονεκτήματα καθιστούν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου μια εξαιρετικά καλή χημεία μπαταριών. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι η φορητή πηγή ενέργειας για διάφορα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, όπως φορητοί υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα.

Πολλές μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν μια πολυμερή γέλη ή μεμβράνη, αν και ορισμένες εξακολουθούν να χρησιμοποιούν υγρό ηλεκτρολύτη. Ορισμένα μοντέλα, όπως αυτά της πρώτης και δεύτερης γενιάς του Tesla Powerwall, χρησιμοποιούν λίθιο σε συνδυασμό με νικέλιο, μαγνήσιο και κοβάλτιο (οι λεγόμενες μπαταρίες Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide, NMC) στη σύνθεση τους. Ωστόσο, οι ανησυχίες σχετικά με την τοξικότητα του νικελίου και του κοβαλτίου ήταν παράγοντες για την ανάπτυξη της χημείας μπαταριών λιθίου - φωσφορικού σιδήρου (Lithium Iron Phosphate, LFP).

Όπως και τα ίδια τα gel, οι μπαταρίες λιθίου είναι μία μίξη μεταξύ των ηλεκτρολυτών στερεάς και υγρής κατάστασης. Δεν χρησιμοποιούν όλες οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης λίθιο, αλλά οι περισσότερες χρησιμοποιούν. Δεν είναι όλες οι μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης, αλλά πολλές είναι. Ορισμένες μπαταρίες χρησιμοποιούν ένα πολυμερές όπως το πολυαιθυλένιο ως ηλεκτρολύτη, οι οποίες ονομάζονται μπαταρίες λιθίου - πολυμερούς (Lithium-Polymer, Li-Po).

Ορισμένες μπαταρίες λιθίου δε χρησιμοποιούν διάλυμα ιόντων λιθίου ως ηλεκτρολύτη αλλά στερεό κράμα λιθίου, συχνά κεραμικό. Παρόμοια με το γραφένιο, η ιδέα είναι ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν ελεύθερα μέσα από την κρυσταλλική μήτρα του κεραμικού, όπως κάνουν μέσα στο γραφένιο. Αυτές οι μπαταρίες «πλήρους» στερεάς κατάστασης (δηλαδή, αυτές που χρησιμοποιούν στερεό ηλεκτρολύτη καθώς και στερεά άνοδο και κάθοδο) απολαμβάνουν μερικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις χημείες μπαταριών που χρησιμοποιούν υγρό ηλεκτρολύτη ή ηλεκτρολύτη σε μορφή γέλης.

Ίσως το πιο σημαντικό πλεονέκτημα είναι η απουσία κινδύνων που σχετίζονται με τους υγρούς ηλεκτρολύτες. Οι μπαταρίες μολύβδου - οξέος (lead-acid batteries), όπως αυτές στα αυτοκίνητα, είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα. Οι μπαταρίες των αυτοκινήτων διαθέτουν σημάνσεις παντού, προειδοποιώντας τον χρήστη να μην ανοίξει το περίβλημα της μπαταρίας ούτε να αγγίξει μια μπαταρία που έχει διαρροή ή έχει φθαρεί, μιας και ο ηλεκτρολύτης θειϊκού οξέος μπορεί να προκαλέσει μόνιμο τραυματισμό ή ακόμα και θάνατο. 

Ωστόσο, οι μπαταρίες «πλήρους» στερεάς κατάστασης έχουν ορισμένα εγγενή προβλήματα που τις εμποδίζουν να αποκτήσουν ευρεία χρήση.

Πρώτον, χρειάζεται πολύ περισσότερη πίεση για να ομογενοποιηθούν δύο φύλλα κεραμικού αρκετά για να επιτευχθεί ένας λογικός ρυθμός αντίδρασης από ό,τι για να βυθιστούν δύο ηλεκτρόδια σε ένα λουτρό ηλεκτρολυτών. Ως αποτέλεσμα, είναι δύσκολο να κατασκευαστούν μπαταρίες στερεάς κατάστασης που να λειτουργούν σε λογικές πιέσεις. 

Δεύτερον, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης που υπερφορτίζονται είναι ευάλωτες στην ανάπτυξη κρυστάλλων που ονομάζονται δενδρίτες και οι οποίοι καταστρέφουν μόνιμα και μη αναστρέψιμα την μπαταρία. Οι δενδρίτες θα σχηματιστούν σε οποιοδήποτε διάλυμα ιόντων, κάτι που είναι αρκετά κακό όταν το διάλυμα βρίσκεται ακριβώς ανάμεσα στα ηλεκτρόδια μιας μπαταρίας, καθώς η ανάπτυξη κρυστάλλων μέσω ενός υγρού ηλεκτρολύτη (μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου) θα τους βραχυκυκλώσει και θα καταστρέψει την μπαταρία.

Καθώς οι στερεοί ηλεκτρολύτες βασίζονται στην ελεύθερη ροή ηλεκτρονίων μέσω της κρυσταλλικής μήτρας του ηλεκτρολύτη, η αλλαγή της κρυσταλλικής δομής του ηλεκτρολύτη διαταράσσει αυτή τη ροή, ενώ παρατηρείται και το φαινόμενο της εκκένωσης κορώνας (coronal discharge), το οποίο είναι ουσιαστικά η παράξενη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων γύρω από γωνίες και αιχμηρές άκρες, όπως αυτές των δενδριτών.

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν τη μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από οποιαδήποτε κατηγορία μπαταριών στερεάς κατάστασης, αλλά υπάρχουν νέοι ή αναπτυσσόμενοι τύποι χημείας μπαταριών στερεάς κατάστασης, όπως οι μπαταρίες μετάλλου - αέρα (metal-air batteries), οι οποίες εμφανίζουν μια πραγματικά εξωφρενική θεωρητική πυκνότητα ενέργειας. Ωστόσο και αυτές οι μπαταρίες εμφανίζουν προβλήματα.

Οι μπαταρίες μετάλλου - αέρα χρησιμοποιούν μεταλλική άνοδο και ίσως αυτή να είναι η μόνη τους ομοιότητα με άλλες μπαταρίες. Αντί να χρησιμοποιούν υλικά όπως γραφίτης, πυρίτιο ή λίθιο για την κάθοδο τους, χρησιμοποιούν τον αέρα του περιβάλλοντος. Μετά από χρόνια πειραματισμών, το αλουμίνιο αναδείχθηκε ως ο ηγέτης για αυτές τις μπαταρίες όσον αφορά την δυνητική ενεργειακή του πυκνότητα, η οποία μπορεί να φτάσει και τις 8 kWh/kg, σχεδόν πέντε φορές περισσότερο από τις καλύτερες μπαταρίες ιόντων λιθίου που παράγονται στο εμπόριο σήμερα. Ωστόσο, σε αντίθεση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες αλουμινίου - αέρα δεν είναι επαναφορτιζόμενες.

Οι μπαταρίες αλουμινίου - αέρα έχουν προταθεί ως τρόπος εξηλεκτρισμού των αεροπορικών μεταφορών. Μια τέτοια μπαταρία θα παρείχε σταθερή τάση και ισχύ εξόδου μέχρι την εκφόρτιση της, γεγονός που θα μπορούσε να την κάνει προτιμότερη για τέτοιες χρήσεις σε σύγκριση με εκείνες των ιόντων λιθίου. Ωστόσο, υπάρχουν ακόμη πολλά ζητήματα που πρέπει να επιλυθούν με τις μπαταρίες αλουμινίου - αέρα, συμπεριλαμβανομένης της ανάγκης ανακύκλωσης του αλουμινίου και επανενσωμάτωσης του σε άλλη μπαταρία.

Υπάρχει ένας αριθμός εναλλακτικών μπαταριών μετάλλου - αέρα, συμπεριλαμβανομένων σιδήρου - αέρα (iron-air batteries), νατρίου - αέρα (sodium-air batteries) και λιθίου - αέρα (lithium-air batteries). Μέχρι στιγμής, εγγενή προβλήματα με τα χρησιμοποιούμενα στοιχεία περιορίζουν την εμπορική τους κλιμάκωση αυτών των τύπων μπαταριών.

Ένα ζήτημα που αντιμετωπίζουν οι επιστήμονες είναι ότι είναι δύσκολο να βρουν χημείες μπαταριών που να καλύπτουν όλες τις απαιτήσεις. Η επαναφορτισιμότητα, η ενεργειακή πυκνότητα, το βάρος, το κόστος υλικού, η μακροζωία και τα χαρακτηριστικά εκφόρτισης παίζουν ρόλο στον καθορισμό του εάν μια μπαταρία είναι κατάλληλη για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Και δυστυχώς δεν υπάρχουν μπαταρίες απόλυτα κατάλληλες για όλες τις σύγχρονες χρήσεις.

Με πληροφορίες από extremetech.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR