Uncategorized, Άρθρα, Ενημέρωση

Εξέλιξη στην τεχνολογία των συσσωρευτών των ηλεκτρικών αυτοκινήτων

Οι συσσωρευτές με μεγάλη διάρκεια ζωής και με πολύ γρήγορη φόρτιση αποτελούν προϋπόθεση για την ανάπτυξη της αγοράς των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Οι σημερινοί συσσωρευτές ιόντων λιθίου δεν θεωρούνται επαρκείς για να εξασφαλίσουν μια τέτοια προοπτική. Έχουν μεγάλο βάρος, κοστίζουν ακριβά και επαναφορτίζονται με βραδύ ρυθμό. Επί δεκαετίες οι ερευνητές προσπαθούν να εκμεταλλευτούν τις δυνατότητες των συσσωρευτών λιθίου-μετάλλου, ξηρού τύπου, οι οποίοι παρουσιάζουν αξιοσημείωτα μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα και επαναφορτίζονται σε κλάσμα του χρόνου που απαιτούν οι τύπου ιόντων λιθίου.

«Ο συσσωρευτής λιθίου-μετάλλου θεωρείται ως το ιερό δισκοπότηρο για τη χημεία των συσσωρευτών, λόγω της υψηλής του ενεργειακής πυκνότητας» λέει ο κ. Xin Li, ομότιμος καθηγητής της επιστήμης των υλικών στη σχολή John A. Paulson της έδρας Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Harvard (SEAS). «Αλλά η σταθερότητα αυτού του τύπου των συσσωρευτών είναι πολύ πτωχή»

Τώρα, ο κ. Li και οι συνεργάτες του σχεδίασαν ένα σταθερό συσσωρευτή λιθίου-μετάλλου, ξηρού τύπου, ο οποίος μπορεί να εκφορτιστεί και επαναφορτιστεί τουλάχιστο 10.000 φορές – πολύ περισσότερες από ότι έχει μέχρι τώρα επιτευχθεί με τους εν χρήσει συσσωρευτές – και ο οποίος διαθέτει επίσης πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Οι ερευνητές συνδύασαν τη νέα αυτή σχεδίαση με ένα υψηλής ενεργειακής πυκνότητας εμπορικό υλικό κατασκευής των καθόδων.

Αυτή η τεχνολογία των συσσωρευτών μπορεί να προσδώσει διάρκεια ζωής 10 έως 15 ετών στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, χωρίς να χρειαστεί αντικατάσταση των συσσωρευτών τους, δηλαδή μεγαλύτερη εκείνης των αυτοκινήτων με κινητήρες εσωτερικής καύσης. Μπορεί επίσης να επιτρέψει απεριόριστες φορτίσεις με πολύ υψηλή ισχύ έτσι ώστε το ηλεκτρικό αυτοκίνητο να ανεφοδιάζεται πλήρως σε 10 έως 20 λεπτά.

 

«Οι έρευνές μας απέδειξαν ότι οι ξηρού τύπου συσσωρευτές μπορεί να διαφοροποιηθούν δραστικά από τους εν χρήσει συσσωρευτές υγρού ηλεκτρολύτη τύπου ιόντων λιθίου», συνέχισε ο κ. Li. «Μελετώντας τα βασικά θερμοδυναμικά χαρακτηριστικά τους διαπιστώνεται η υπεροχή τους όπως και η δυνατότητα εκμετάλλευσης των εξαιρετικών δυνατοτήτων τους»

Οι μεγάλες προκλήσεις με τους συσσωρευτές λιθίου-μετάλλου εστιάζονται στη χημεία τους. Οι συσσωρευτές λιθίου κινούν τα ιόντα από την κάθοδο προς την άνοδο κατά τη διάρκεια της φόρτισης. Όταν η άνοδος είναι κατασκευασμένη από μέταλλο Λίθιο στην επιφάνειά της σχηματίζονται βελονοειδείς εξάρσεις που καλούνται «δενδρίτες». Αυτές οι εξάρσεις αναπτύσσονται όπως οι ρίζες μέσα στον ηλεκτρολύτη προκαλώντας διατρήσεις στο διαχωρισμό μεταξύ ανόδου και καθόδου με αποτέλεσμα βραχυκυκλώματα ή και αναφλέξεις. Για να λύσει αυτό το πρόβλημα ο κ. Li και οι συνεργάτες του σχεδίασαν ένα στοιχείο με διαχωριστικό πολλαπλών στρώσεων από διαφορετικά υλικά με ανομοιογενή χαρακτηριστικά ευστάθειας τα οποία και διαχωρίζουν την άνοδο από την κάθοδο. Αυτό το πολυστρωματικό διαχωριστικό αποκλείει την εισδοχή των δενδριτών βαθιά στο διάκενο όχι αποκλείοντας εξ ολοκλήρου τη δημιουργία τους αλλά ελέγχοντας και περιορίζοντάς την ανάπτυξή τους.

 Φανταστείτε τον συσσωρευτή σαν ένα κοινό σάντουιτς. Πρώτα είναι το ψωμί – η άνοδος από Λίθιο μέταλλο – ακολουθεί μια στρώση από μαρούλι – ένα επίστρωμα γραφίτη. Στη συνέχεια μια στρώση από ντομάτες – ο πρώτος ηλεκτρολύτης – και μια στρώση από μπέικον – ο δεύτερος ηλεκτρολύτης. Τελειώνουμε με μια ακόμα στρώση από ντομάτες και η τελική στρώση που είναι πάλι το ψωμί – η κάθοδος. Ο πρώτος ηλεκτρολύτης (χημική ονομασία Li5.5PS4.5Cl1.5 ή LPSCI) είναι περισσότερο σταθερός απέναντι στο Λίθιο αλλά επιρρεπής στη διάτρηση από τους δενδρίτες. Ο δεύτερος ηλεκτρολύτης (Li10Ge1P2S12 ή LGPS) είναι λιγότερο σταθερός απέναντι στο Λίθιο αλλά είναι αδύνατο να διατρηθεί από τους δενδρίτες Στην κατασκευή αυτή οι δενδρίτες θα μπορούν μεν να διεισδύσουν στον γραφίτη και τον πρώτο ηλεκτρολύτη αλλά θα σταματούν οριστικά στο δεύτερο ηλεκτρολύτη και δε θα φθάνουν ποτέ στην κάθοδο. Με άλλα λόγια θα μπορούν να περάσουν μέσα από το μαρούλι κα την ντομάτα αλλά θα σταματάνε στο μπέικον. Με τη λύση αυτή παύει πλέον να υπάρχει το πρόβλημα σταθερότητας των στοιχείων του συσσωρευτή.

 

«Η στρατηγική μας να εισάγουμε στην κατασκευή αστάθεια προκειμένου να καταστήσουμε το σύστημα ευσταθές μοιάζει μεν να είναι αυτοαναιρούμενη αλλά όπως ακριβώς συμβαίνει όταν χρησιμοποιούμε ένα πλαστικό αγκύρωμα (ούπατ) όταν θέλουμε να σταθεροποιήσουμε μια βίδα που θα βάλουμε στον τοίχο έτσι και ο πολυστρωματικός διαχωρισμός ελέγχει και τελικά εξαφανίζει το πρόβλημα των δενδριτών», είπε ο κ. Luhan Ye, συνεργάτης και απόφοιτος του SEAS.

«Η διαφορά είναι ότι στη δική μας περίπτωση η αγκύρωση τελικά γίνεται τόσο σταθερή ώστε παύουν πλέον να αναπτύσσονται οι δενδρίτες», πρόσθεσε ο κ. Li.

Ο συσσωρευτής αυτός έχει και το πλεονέκτημα της «αυτοϊασης» επειδή η χημεία του του επιτρέπει να ξαναγεμίζει τις όποιες διατρήσεις καταφέρουν οι δενδρίτες ακόμα και στον πρώτο ηλεκτρολύτη.

«Αυτή η σχεδίαση επιβεβαιώνει ότι οι ξηρού τύπου συσσωρευτές λιθίου-μετάλλου μπορούν να καταστούν ανταγωνιστικοί με τους συσσωρευτές ιόντων λιθίου του εμπορίου. Η μέθοδος του πολυστρωματικού διαχωρισμού μπορεί να εισαχθεί στην εν σειρά κατασκευαστική διαδικασία αφού όμως επιλυθούν μερικά πρακτικά προβλήματα τα οποία πιστεύουμε ότι μπορούν να ξεπεραστούν», είπε ο κ. Li.

Πηγή: Harvard Gazette

Previous ArticleNext Article