Ιστορικό:
Ερευνητές στο Ινστιτούτο Βιοενέργειας και Τεχνολογίας Βιοδιεργασιών Qingdao, της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, πέτυχαν μια σημαντική ανακάλυψη στις μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης, πραγματοποιώντας ενδεχομένως το όνειρο για μικρότερες ηλεκτρονικές συσκευές με εκτεταμένη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Αυτή η πρόοδος δημοσιεύτηκε στο διεθνές ακαδημαϊκό περιοδικό Nature Energy στις 31 Ιουλίου.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται σε κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές αποθηκεύουν και απελευθερώνουν κυρίως ενέργεια μέσω υγρών ηλεκτρολυτών. Οι επιστήμονες εξερευνούν τώρα έναν νέο τύπο μπαταρίας—μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης. Αυτές χρησιμοποιούν στερεούς ηλεκτρολύτες αντί για υγρά, καθιστώντας τις σημαντικά ασφαλέστερες.
Ενώ οι μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης φαίνονται ιδανικές, η ανάπτυξή τους αντιμετωπίζει προκλήσεις. Κυρίως, οι διαφορετικές χημικές και φυσικές ιδιότητες των υλικών εντός της καθόδου της μπαταρίας καθιστούν δύσκολη την τέλεια συμβατότητα, οδηγώντας σε πολλαπλά προβλήματα διασύνδεσης που θέτουν σε κίνδυνο την ενεργειακή πυκνότητα και τη διάρκεια ζωής. Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα νέο υλικό: ένα ομογενοποιημένο υλικό καθόδου (φωσφοσεληνίδιο λιθίου τιτανίου γερμανίου).
Σε σύγκριση με τα συμβατικά υλικά, αυτή η ένωση προσφέρει πλεονεκτήματα, όπως υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και εκτεταμένη διάρκεια ζωής:
Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα:Αυτό το νέο υλικό παρουσιάζει τόσο υψηλή ιοντική όσο και ηλεκτρονική αγωγιμότητα, ξεπερνώντας τα παραδοσιακά υλικά μπαταριών (καθόδους στρωματοποιημένου οξειδίου) κατά περισσότερο από 1000 φορές. Αυτό επιτρέπει ομαλές διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης χωρίς να βασίζονται σε αγώγιμα πρόσθετα, ενισχύοντας σημαντικά τη συνολική απόδοση της μπαταρίας.
Υψηλή χωρητικότητα εκφόρτισης:Το νέο υλικό παρουσιάζει υψηλή χωρητικότητα εκφόρτισης 250 mAh ανά γραμμάριο, ξεπερνώντας τα υλικά καθόδου υψηλού νικελίου που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος. Σε ισοδύναμο βάρος ή όγκο, οι μπαταρίες που ενσωματώνουν αυτό το υλικό μπορούν να αποθηκεύσουν μεγαλύτερη ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό όχι μόνο επιτρέπει παρατεταμένη λειτουργία χωρίς συχνή επαναφόρτιση, ενισχύοντας έτσι την αντοχή, αλλά και μειώνει το μέγεθος της μπαταρίας, διευκολύνοντας το σχεδιασμό πιο συμπαγών συσκευών.
Μικρή αλλαγή όγκου:Κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης, το νέο υλικό παρουσιάζει αλλαγή όγκου μόλις 1,2%, σημαντικά χαμηλότερη από το 50% που παρατηρείται στα συμβατικά υλικά καθόδου στρωματοποιημένου οξειδίου. Αυτή η ελάχιστη αλλαγή όγκου βοηθά στη διατήρηση της δομικής σταθερότητας, επεκτείνοντας έτσι τη λειτουργική διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα:Οι μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιούν αυτό το νέο υλικό επιτυγχάνουν ενεργειακή πυκνότητα 390 Wh/kg, αντιπροσωπεύοντας αύξηση 1,3 φορές σε σχέση με τις προηγουμένως αναφερόμενες μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης μακράς διάρκειας.
Εκτεταμένη διάρκεια ζωής:Οι μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης που χρησιμοποιούν αυτό το υλικό επιτυγχάνουν πάνω από 10.000 κύκλους. Μετά από 5.000 κύκλους φόρτισης, η μπαταρία διατηρεί το 80% της αρχικής της χωρητικότητας, παρέχοντας άφθονη ισχύ για εκτεταμένες περιόδους.
Αυτή η έρευνα παρέχει κρίσιμη τεχνική υποστήριξη για την ανάπτυξη συσκευών αποθήκευσης ενέργειας υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και μεγάλης διάρκειας ζωής, προσφέροντας ασφαλείς και ανθεκτικές πηγές ενέργειας για νέα ενεργειακά οχήματα, δίκτυα αποθήκευσης ενέργειας και εξοπλισμό βαθέων θαλασσών/διαστημικών αποστολών. Έχει σημαντικές επιπτώσεις για την προώθηση νέων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας.