Η ραγδαία εισβολή των φορητών συσκευών στην καθημερινότητα μας σε συνδυασμό με τους μειούμενους διαθέσιμους πόρους ενέργειας καθιστούν την αποθήκευση ενέργειας μια επιτακτική ανάγκη της σύγχρονης εποχής. 

Η ανθρωπότητα βέβαια όχι μόνο αποδέχτηκε αυτή την πρόκληση, αλλά έθεσε ψηλά τον πήχη σχεδιάζοντας ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ακόμα και ρομπότ για την επιτέλεση εργασιών ρουτίνας. Όλα αυτά όμως θα ήταν αδύνατα χωρίς να μπορούμε να τα τροφοδοτήσουμε με ενέργεια. Η ενέργεια αυτή μάλιστα θα πρέπει να μπορεί να προσφερθεί εύκολα, όπου και αν βρισκόμαστε και να μπορεί να προσφερθεί ξανά και ξανά. Έτσι το ενδιαφέρον στράφηκε στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Τέτοιου είδους μπαταρίες που χρησιμοποιούνται κατά κόρον σήμερα είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. 

Μπαταρίες ιόντων λιθίου: 

Ο John Bannister Goodenough ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε τις μπαταρίες ιόντων λιθίου το 1979. Στις αρχές της δεκαετίας του 1990 η Sony ανέπτυξε μια εμπορική εκδοχή των μπαταριών αυτών. Σήμερα, οι μπαταρίες αυτές είναι πολύ δημοφιλείς. Εκτός του ότι μπορείς να τις βρεις παντού και είναι οι πιο κοινές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, ακούγονται συχνά και στις ειδήσεις. Αυτό οφείλεται επειδή περιστασιακά αυτές οι μπαταρίες έχουν την ικανότητα να αναφλέγονται! Δεν συμβαίνει συχνά –ένα ή δύο πακέτα στα χιλιάδες- αλλά όταν συμβαίνει δεν είναι καλό καθώς τίθεται θέμα ασφάλειας για τον χρήστη και χιλιάδων δολαρίων για τους κατασκευαστές.  

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου υπάρχουν σε όλα τα σχήματα και τα μεγέθη αλλά μοιάζουν ακριβώς το ίδιο στο εσωτερικό τους. Αν άνοιγες την μπαταρία του λάπτοπ σου (το οποίο δεν στο συστήνω λόγω της πιθανότητας να πάρεις φωτιά όπως είπαμε) θα βρεις τα ακόλουθα:  

• Ένα θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) 
• Ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδος)  
• Ένα διαχωριστή 

Τα τρία αυτά φύλλα είναι εμβαπτισμένα σε έναν οργανικό διαλύτη που δρα ως ηλεκτρολύτης. Ένας κοινός διαλύτης είναι το διμέθοξυ αιθάνιο. 

Ο διαχωριστής είναι ένα πολύ λεπτό φύλλο από μικρό διάτρητο πλαστικό. Όπως υποδεικνύει και το όνομά του διαχωρίζει την άνοδο από την κάθοδο και επιτρέπει τη διέλευση των ιόντων. 

Η κάθοδος κατασκευάζεται από οξείδιο κοβαλτίου-λιθίου LiCoO2, ενώ η άνοδος από άνθρακα. Όταν η μπαταρία φορτίζεται τα ιόντα λιθίου κινούνται διαμέσου του ηλεκτρολύτη από την κάθοδο προς την άνοδο και προσδένονται πάνω στον άνθρακα. Κατά την αποφόρτιση, τα ιόντα λιθίου επιστρέφουν στην κάθοδο.  

Αν ο διαχωριστής τρυπηθεί και τα δύο ηλεκτρόδια έρθουν σε επαφή τότε η μπαταρία θερμαίνεται πολύ γρήγορα. Η θερμότητα προκαλεί την εξάτμιση του οργανικού διαλύτη που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης και ένας εγγύς σπινθήρας μπορεί να ανάψει όλη την μπαταρία με φλόγες. 

Παρά την υψηλή ιοντική αγωγιμότητά τους, οι υγροί ηλεκτρολύτες παρουσιάζουν ασυμβατότητα με τα ηλεκτρόδια μεταλλικού λιθίου λόγω της ανομοιόμορφης ηλεκτροχημικής εναπόθεσης του λιθίου στην διεπιφάνεια του ηλεκτροδίων με τον ηλεκτρολύτη. Ως αποτέλεσμα εμφανίζονται ανομοιομορφίες στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου με συνέπεια τη συσσώρευση φορτίου στις περιοχές με υψηλή καμπυλότητα (ακίδες) και την ανάπτυξη δενδριτικών δομών που ξεκινούν από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου και εξαπλώνονται στον ηλεκτρολύτη. Έτσι, η διεπιφάνεια ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη αυξάνεται διαρκώς «καταναλώνοντας» τον ηλεκτρολύτη και αχρηστεύοντας την μπαταρία.  

Για τους λόγους αυτούς, πολλοί ερευνητές έχουν προσανατολιστεί προς την ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης στοχεύοντας στην εξάλειψη του φαινομένου ανάπτυξης δενδριτών συγχρόνως, όμως, με την διατήρηση της ιοντικής αγωγιμότητας σε υψηλά επίπεδα για επιλεγμένο θερμοκρασιακό εύρος. 

Μπαταρίες στερεάς κατάστασης:

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης συμπιέζουν την άνοδο, την κάθοδο και τον ηλεκτρολύτη σε τρία επίπεδα στερεά στρώματα αντί να εμβαπτίζουν τα ηλεκτρόδια σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες αυτές μπορεί να είναι μικρότερες σε μέγεθος ή πιο επίπεδες σε σχέση με αυτές που έχουν υγρό ηλεκτρολύτη. Είναι επίσης ασφαλέστερες, καθώς δεν υπάρχει κανένα εύφλεκτο υγρό για να χυθεί και να αναφλεγεί, και έχουν μεγαλύτερη διάρκεια κύκλου ζωής.

Πολλά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί ως στερεοί ηλεκτρολύτες όπως κεραμικά, γυαλί, θειούχο λίθιο και φθοριούχος μόλυβδος και φυσικά πολυμερή όπως το πολυαιθυλενοξείδιο. Μιαπολύενδιαφέρουσαπροσέγγισημάλισταείναιηανάπτυξη νανοδομημένων υλικών με άμορφα, ιξώδη κανάλια αγώγιμου PEO εντός ενός άκαμπτου και μηχανικά σταθερού σκελετού πολυστυρενίου (PS).

Ωστόσο και αυτού του είδους οι μπαταρίες παρουσιάζουν μειονεκτήματα όπως το ότι είναι πάρα πολύ ακριβές στην κατασκευή τους και αυτό εμποδίζει την αξιοποίηση τους σε μικρές φορητές συσκευές όπως τα smartphones ή οι φορητοί υπολογιστές. Επίσης, απαιτούν πολύ υψηλές θερμοκρασίες για να εκδηλώσουν την αγωγιμότητα τους και αυτό τις καθιστά μη πρακτικές.

Πρόσφατα η Victoria Davis και οι συνεργάτες της από το τεχνολογικό ινστιτούτο της Καλιφόρνια ανέφεραν τη σύνθεση ενός υγρού ηλεκτρολύτη ιόντων φθορίου με υψηλή αγωγιμότητα και χημική σταθερότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες για πιθανή εφαρμογή όπως δήλωσαν σε μιας νέας γενιάς μπαταριών.

Τι είναι τόσο αξιοσημείωτο στην αναφορά αυτή;

Οι αντιδράσεις μετατροπής πολυσθενούς φθορίου έχουν υψηλά δυναμικά θερμοδυναμικής αντίδρασης (> 3 V). Ως εκ τούτου, οι μπαταρίες που βασίζονται σε αυτά τα υλικά προσφέρουν θεωρητικές πυκνότητες ενέργειας έως 5000 Wh / λίτρο, δηλαδή 8 φορές περισσότερο απο τις θεωρητικές τιμές για τις τρέχουσες τεχνολογίες ιόντων λιθίου.

Η κατασκευή μπαταριών όμως που βασίζονται στο φθόριο είναι δύσκολη. Συνήθως μέταλλα φθορίου χρησιμοποιούνταν ως στερεοί ηλεκτρολύτες και έτσι παρουσίαζαν χαμηλή αγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου. Η χρήση ενώσεων φθορίου σε υγρούς ηλεκτρολύτες δεν ενδείκνυται καθώς παράγονται ιόντα HF₂^–τα οποία έχουν χαμηλό ηλεκτρολυτικό δυναμικό, είναι αδιάλυτα σε οργανικούς διαλύτες και η αντίδραση παραγωγής τους είναι εξώθερμη αυξάνοντας πολύ τη θερμοκρασία του ηλεκτρολύτη της μπαταρίας.

Στην εν λόγω έρευνα συντέθηκαν και χρησιμοποιήθηκανπιο σταθερά οργανικά άλατα του φθορίου όπως N,N,N τριμέθυλο-Ν- νεοπεντυλαμμώνιο φθόριο (Np1F) και N,N,N-διμέθυλο-N,N-δινεοπέντυλο αμμώνιοφθόριο (Np2F).Σανοργανικόςδιαλύτηςχρησιμοποιήθηκετοδι-(2,2,2-τριφθοροαιθυλικός) αιθέρας(BTFE) τοοποίο διαλύει τα άλατα αυτά του φθορίου χωρίς να αλληλοεπιδρά με τα ανιόντα F- έτσι ώστε να μπορούν να μεταφέρονται τα ιόντα από την άνοδο στην κάθοδο.

Τέλος, για να προστατευτεί η κάθοδος από διαλυτοποίηση και ο ηλεκτρολύτης από αποσύνθεση χρησιμοποιήθηκαν νανοσωματίδια χαλκού με τριφθοριούχολανθάνιο με δομή μικκυλίων (CuLaF₃).

“Η επαναφόρτιση μιας μπαταρίας είναι σαν να σπρώχνεις μια μπάλα πάνω σε ένα λόφο και στη συνέχεια να την αφήνεις να γυρίσει ξανά, ξανά και ξανά”, όπως δηλώνει  ο συν-συγγραφέας ThomasMiller, καθηγητής χημείας στο Caltech. «Πηγαίνουμε πέρα δώθε ανάμεσα στην αποθήκευση της ενέργειας και τη χρήση της».

Οι εξελίξεις αυτές στον τομέα αποθήκευσης και αξιοποίησης ενέργειας ανοίγουν το δρόμο σε μια νέα γενιά μπαταριών και κατά συνέπεια σε μια νέα τεχνολογική εποχή.

Πηγές:

1. Victoria K. Davis1, Christopher M. Bates, Kaoru Omichi, Brett M. Savoie,NebojšaMomčilović, Qingmin Xu, William J. Wolf, Michael A. Webb,Keith J. Billings, Nam Hawn Chou, SelimAlayoglu, Ryan K. McKenney,Isabelle M. Darolles, Nanditha G. Nair, Adrian Hightower, Daniel Rosenberg,Musahid Ahmed, Christopher J. Brooks, Thomas F. Miller,Robert H. Grubbs, Simon C. Jones,  Room-temperature cycling of metal fluoride electrodes: Liquid electrolytes for high-energy fluoride ion cells, DOI: 10.1126/science.aat7070, Science 362 (6419), 1144-1148, 2019
2. Heng Zhang, Chunmei Li, Michal Piszcz, EstibalizCoya, TeofiloRojo,Lide M. Rodriguez-Martinez, Michel Armand and Zhibin Zhou, Single lithium-ion conducting solid polymer electrolytes: advances and perspectives, Royal society of chemistry, 46 797, 2016