Ανεξάρτητα από τις επιδόσεις, το κόστος ή την ασφάλεια, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες σε στερεά κατάσταση είναι η καλύτερη επιλογή για την αντικατάσταση της ορυκτής ενέργειας και τελικά την υλοποίηση του δρόμου προς τα νέα ενεργειακά οχήματα.
Ως εφευρέτης υλικών καθόδου όπως τα LiCoO2, LiMn2O4 και LiFePO4, η Goodenough είναι γνωστή στον τομέα τηςμπαταρίες ιόντων λιθίουκαι είναι πραγματικά ο «πατέρας των μπαταριών ιόντων λιθίου».
Σε ένα πρόσφατο άρθρο στο NatureElectronics, ο John B. Goodenough, ο οποίος είναι 96 ετών, κάνει μια ανασκόπηση της ιστορίας της εφεύρεσης της επαναφορτιζόμενης μπαταρίας ιόντων λιθίου και δείχνει τον δρόμο προς τα εμπρός.
Στη δεκαετία του 1970, μια πετρελαϊκή κρίση ξέσπασε στις Ηνωμένες Πολιτείες. Συνειδητοποιώντας την υπερβολική της εξάρτηση από τις εισαγωγές πετρελαίου, η κυβέρνηση ξεκίνησε μια μεγάλη προσπάθεια για την ανάπτυξη της ηλιακής και αιολικής ενέργειας. Λόγω της διαλείπουσας φύσης της ηλιακής και αιολικής ενέργειας,επαναφορτιζόμενες μπαταρίεςχρειάστηκαν τελικά για την αποθήκευση αυτών των ανανεώσιμων και καθαρών πηγών ενέργειας.
Το κλειδί για την αναστρέψιμη φόρτιση και εκφόρτιση είναι η αναστρεψιμότητα της χημικής αντίδρασης!
Εκείνη την εποχή, οι περισσότερες από τις μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούσαν αρνητικά ηλεκτρόδια λιθίου και οργανικούς ηλεκτρολύτες. Προκειμένου να επιτευχθούν επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, όλοι άρχισαν να εργάζονται για την αναστρέψιμη ενσωμάτωση ιόντων λιθίου σε καθόδους θειούχου μετάλλου μετάπτωσης σε στρώσεις. Ο Stanley Whittingham της ExxonMobil ανακάλυψε ότι η αναστρέψιμη φόρτιση και εκφόρτιση θα μπορούσε να επιτευχθεί με παρεμβολή χημείας χρησιμοποιώντας στρώμα TiS2 ως υλικό καθόδου, με το προϊόν εκφόρτισης να είναι το LiTiS2.
Αυτό το στοιχείο, που αναπτύχθηκε από τον Whittingham το 1976, πέτυχε καλή αρχική απόδοση. Ωστόσο, μετά από αρκετές επαναλήψεις φόρτισης και εκφόρτισης, σχηματίστηκαν δενδρίτες λιθίου μέσα στο στοιχείο, οι οποίοι αυξήθηκαν από το αρνητικό στο θετικό ηλεκτρόδιο, δημιουργώντας ένα βραχυκύκλωμα που θα μπορούσε να αναφλέξει τον ηλεκτρολύτη. Αυτή η προσπάθεια, πάλι, κατέληξε σε αποτυχία!
Εν τω μεταξύ, ο Goodenough, ο οποίος μετακόμισε στην Οξφόρδη, ερευνούσε πόσο πολύ λίθιο θα μπορούσε να απο-ενσωματωθεί από τα πολυεπίπεδα υλικά καθόδου LiCoO2 και LiNiO2 πριν αλλάξει η δομή. Στο τέλος, πέτυχαν αναστρέψιμη απο-ενσωμάτωση περισσότερο από το μισό του λιθίου από το υλικό της καθόδου.
Αυτή η έρευνα οδήγησε τελικά τον Akira Yoshino του AsahiKasei να προετοιμάσει την πρώτηεπαναφορτιζόμενη μπαταρία ιόντων λιθίου: LiCoO2 ως θετικό ηλεκτρόδιο και άνθρακας γραφίτη ως αρνητικό ηλεκτρόδιο. Αυτή η μπαταρία χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία στα πρώτα κινητά τηλέφωνα της Sony.
Προκειμένου να μειωθεί το κόστος και να βελτιωθεί η ασφάλεια. Η πλήρως συμπαγής επαναφορτιζόμενη μπαταρία με στερεό ως ηλεκτρολύτη φαίνεται να είναι μια σημαντική κατεύθυνση για μελλοντική ανάπτυξη.
Ήδη από τη δεκαετία του 1960, οι Ευρωπαίοι χημικοί εργάζονταν για την αναστρέψιμη ενσωμάτωση ιόντων λιθίου σε πολυεπίπεδα υλικά θειούχου μετάλλου μετάπτωσης. Εκείνη την εποχή, οι τυπικοί ηλεκτρολύτες για τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ήταν κυρίως ισχυροί όξινοι και αλκαλικοί υδατικοί ηλεκτρολύτες όπως H2SO4 ή KOH. Επειδή, σε αυτούς τους υδατικούς ηλεκτρολύτες, το Η+ έχει καλή διαχυτικότητα.
Εκείνη την εποχή, οι πιο σταθερές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες κατασκευάζονταν με πολυστρωματικό NiOOH ως υλικό καθόδου και έναν ισχυρό αλκαλικό υδατικό ηλεκτρολύτη ως ηλεκτρολύτη. Το h+ θα μπορούσε να ενσωματωθεί αναστρέψιμα στη στρωματοποιημένη κάθοδο NiOOH για να σχηματίσει Ni(OH)2. Το πρόβλημα ήταν ότι ο υδατικός ηλεκτρολύτης περιόριζε την τάση της μπαταρίας, με αποτέλεσμα χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα.
Το 1967, ο Joseph Kummer και ο NeillWeber της Ford Motor Company ανακάλυψαν ότι το Na+ έχει καλές ιδιότητες διάχυσης σε κεραμικούς ηλεκτρολύτες άνω των 300°C. Στη συνέχεια επινόησαν μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία Na-S: λιωμένο νάτριο ως αρνητικό ηλεκτρόδιο και λιωμένο θείο που περιέχει ταινίες άνθρακα ως θετικό ηλεκτρόδιο. Ως αποτέλεσμα, εφηύραν μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία Na-S: λιωμένο νάτριο ως αρνητικό ηλεκτρόδιο, λιωμένο θείο που περιέχει μια ζώνη άνθρακα ως θετικό ηλεκτρόδιο και ένα στερεό κεραμικό ως ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, η θερμοκρασία λειτουργίας των 300°C κατέστησε αδύνατη την εμπορευματοποίηση αυτής της μπαταρίας.
Το 1986, ο Goodenough δημιούργησε μια πλήρως στερεάς κατάστασης επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου χωρίς παραγωγή δενδρίτη χρησιμοποιώντας NASICON. Επί του παρόντος, έχουν κυκλοφορήσει στο εμπόριο επαναφορτιζόμενες μπαταρίες λιθίου και νατρίου σε στερεά κατάσταση που βασίζονται σε ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης όπως το NASICON.
Το 2015, η MariaHelena Braga του Πανεπιστημίου του Πόρτο παρουσίασε επίσης έναν μονωτικό στερεό ηλεκτρολύτη πορώδους οξειδίου με αγωγιμότητα ιόντων λιθίου και νατρίου συγκρίσιμη με τους οργανικούς ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται σήμερα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Εν ολίγοις, ανεξάρτητα από τις επιδόσεις, το κόστος ή την ασφάλεια, οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες σε στερεά κατάσταση είναι η καλύτερη επιλογή για την αντικατάσταση της ορυκτής ενέργειας και τελικά την υλοποίηση του δρόμου προς τα νέα ενεργειακά οχήματα!
Ώρα δημοσίευσης: Αυγ-25-2022