Μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον 94χρονο John Goodenough, καθηγητή στη Σχολή Μηχανολογίας Cockrell του Πανεπιστημίου του Texas, Austin, και συνεφευρέτη της μπαταρίας ιόντων λιθίου, εξέλιξε τα πρώτα ηλεκτρικά στοιχεία εξολοκλήρου στερεάς κατάστασης, που μπορεί να οδηγήσουν σε ασφαλέστερες, πιο γρήγορες στη φόρτιση και με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής επαναφορτιζόμενες μπαταρίες για κινητά τηλέφωνα, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και στατικούς συσσωρευτές ενέργειας.

Η τελευταία ανακάλυψη του Goodenough, σε συνεργασία με την Πορτογαλίδα ερευνήτρια Maria Helena Braga, είναι μια χαμηλού κόστους, εξολοκλήρου στερεάς κατάστασης μπαταρία, που είναι άφλεκτη, έχει μεγάλο κύκλο ζωής, μεγάλη ογκομετρική πυκνότητα ενέργειας και γρήγορους ρυθμούς φόρτισης κι εκφόρτισης. 

«Το κόστος, η ασφάλεια, οι ρυθμοί φόρτισης-εκφόρτισης και ο κύκλος ζωής είναι κρίσιμοι παράγοντες για να έχουν τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ευρύτερη διάδοση. Πιστεύουμε ότι η ανακάλυψή μας λύνει πολλά από τα εγγενή προβλήματα των σημερινών μπαταριών», δήλωσε ο Goodenough. 

Οι ερευνητές απέδειξαν ότι τα νέα ηλεκτρικά στοιχεία έχουν τουλάχιστον τρεις φορές μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από τα σημερινά ιόντων λιθίου. Η ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας είναι που δίνει σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο αυτονομία, οπότε τριπλάσια πυκνότητα σημαίνει τρεις φορές περισσότερα χιλιόμετρα ανάμεσα στις φορτίσεις. Το νέο στοιχείο του UT Austin επιτρέπει επίσης μεγαλύτερο αριθμό κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης, που σημαίνει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, όπως επίσης και ταχύτερο ρυθμό επαναφόρτισης (σε λεπτά αντί σε ώρες).

Οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν υγρούς ηλεκτρολύτες για να μεταφέρουν τα ιόντα λιθίου από την άνοδο στην κάθοδο. Αν ένα ηλεκτρικό στοιχείο φορτιστεί υπερβολικά γρήγορα, μπορεί να σχηματιστούν δενδρίτες (μεταλλικά τριχίδια) και να γεφυρώσουν μέσα από τους υγρούς ηλεκτρολύτες, με αποτέλεσμα βραχυκύκλωμα που είναι πιθανό να οδηγήσει σε φωτιά ή έκρηξη.

Αντί για υγρούς ηλεκτρολύτες, οι ερευνητές χρησιμοποιούν εδώ ηλεκτρολύτες από γυαλί ώστε να μπορούν να έχουν άνοδο αλκαλιμετάλλου (λιθίου, νατρίου ή καλλίου) χωρίς να δημιουργούνται δενδρίτες.

Η χρήση ανόδου από αλκαλιμέταλλο, που δεν είναι δυνατή στις συμβατικές μπαταρίες, αυξάνει την ενεργειακή πυκνότητα της καθόδου και δίνει μεγάλο κύκλο ζωής. Σε πειράματα, τα νέα ηλεκτρικά στοιχεία ξεπέρασαν τους 1.200 κύκλους, με χαμηλή αντίσταση.

Επιπροσθέτως, επειδή οι ηλεκτρολύτες στερεού γυαλιού μπορούν να λειτουργούν (να έχουν υψηλή αγωγιμότητα) μέχρι και στους -20 βαθμούς Κελσίου, μια τέτοια μπαταρία αυτοκινήτου θα μπορεί να λειτουργεί καλά σε θερμοκρασίες κάτω του μηδενός. Αυτό είναι το πρώτο εξολοκλήρου στερεό στοιχείο που μπορεί να λειτουργεί σε θερμοκρασία κάτω από τους 60 βαθμούς Κελσίου.

Οι ηλεκτρολύτες γυαλιού απλοποιούν και την παραγωγή των ηλεκτρικών στοιχείων. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι τα στοιχεία κατασκευάζονται από φιλικά προς το περιβάλλον υλικά.

«Οι ηλεκτρολύτες γυαλιού επιτρέπουν την αντικατάσταση του λιθίου με νάτριο. Το νάτριο εξάγεται από το θαλασσινό νερό που είναι ευρέως διαθέσιμο», εξηγεί η Braga.

Ο Goodenough και η Braga συνεχίζουν την έρευνά τους πάνω στις μπαταρίες και ετοιμάζονται να καταθέσουν κάμποσες πατέντες. Βραχυπρόθεσμα, ελπίζουν να συνεργαστούν με κατασκευαστές μπαταριών ώστε να δοκιμάσουν και να εξελίξουν τα νέα τους υλικά σε ηλεκτρικά οχήματα και συσκευές αποθήκευσης ενέργειας.

[Πηγή: UT News]