- Ερευνητές συνδύασαν νανοτεχνολογία και βιολογία για να υλοποιήσουν μια βελτιωμένη μπαταρία νικελίου-σιδήρου.
- Η δομή της κυψέλης βασίζεται σε «σκαλωσιά» από πρωτεΐνες και νανο-συστάδες κάτω από 5 nm, με στόχο μέγιστη ενεργή επιφάνεια.
- Στο εργαστήριο έδειξε σταθερότητα πάνω από 12.000 κύκλους και ενεργειακή πυκνότητα ~47 Wh/kg, με προοπτική για σταθερή αποθήκευση.
Μια ιδέα 100+ ετών, ανανεωμένη με νανοτεχνολογία και βιολογία
Μια νανοδομημένη μπαταρία νικελίου-σιδήρου πέτυχε 12.000 κύκλους φόρτισης. Η νανο-δομημένη κυψέλη δεν χρησιμοποιεί σπάνια στοιχεία, «χτίζεται» με τη βοήθεια πρωτεϊνών και παρουσιάζει πρακτικές ηλεκτρικές ιδιότητες.
Μια διεθνής ερευνητική ομάδα από τις ΗΠΑ, το Ιράν, την Αίγυπτο, το Βέλγιο και την Κίνα υλοποίησε μια ιδέα ηλικίας άνω των 100 ετών για έναν ισχυρό συσσωρευτή, συνδυάζοντας νανοτεχνολογία και βιολογία.
Η κατασκευή εμπνεύστηκε από τον φυσικό τρόπο δημιουργίας των οστών, εξήγησε ο Ric Kaner από το University of California in Los Angeles (UCLA), ένας από τους συγγραφείς της μελέτης που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Small.
Οι κλασικοί συσσωρευτές νικελίου-σιδήρου είναι γνωστοί για ανθεκτικότητα, αλλά ιστορικά υστερούσαν σε απόδοση. Η νανοδομή στοχεύει να αλλάξει αυτή την ισορροπία.
Πως «μιμείται» τα οστά: πρωτεΐνες ως σκαλωσιά για νικέλιο και σίδηρο
Η δομή των οστών δημιουργείται μέσω ενός πλέγματος πρωτεϊνών που οδηγεί το ασβέστιο στη σωστή θέση. Αντί για ασβέστιο, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ένα πρωτεϊνικό «ικρίωμα» (σκαλωσιά) για να οργανώσει:
- Νικέλιο για την κάθοδο
- Σίδηρο για την άνοδο
Τα υλικά τοποθετήθηκαν σε εξαιρετικά μικρές ομαδοποιήσεις.
Νανο-συστάδες κάτω από 5 nm
Ένα μεμονωμένο «cluster» έχει μέγεθος κάτω από 5 νανόμετρα — περίπου 30 φορές την ακτίνα ενός ατόμου σιδήρου. Αντίστοιχα, σε ορισμένους σχηματισμούς ενδέχεται να υπάρχει ακόμη και ένα μόνο άτομο μετάλλου.
Μέγιστη αύξηση επιφάνειας: περισσότερα «ενεργά» άτομα στη φόρτιση/εκφόρτιση
Χάρη στις νανοδομές επιτεύχθηκε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο ποσοστό ατόμων που συμμετέχουν ενεργά στη φόρτιση και εκφόρτιση. Οι αμέτρητες «ηλεκτροδιικές» δομές συνδέονται με οξείδιο του γραφενίου (graphene oxide), ένα δισδιάστατο υλικό που από τη φύση του έχει μάλλον μονωτικές ιδιότητες.
Με επακόλουθη θέρμανση — αρχικά σε περιβάλλον με νερό και στη συνέχεια χωρίς νερό σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες — οι πρωτεΐνες και το οξείδιο του γραφενίου «ψήνονται». Το οξυγόνο απομακρύνεται και απομένει άνθρακας, ο οποίος ενσωματώνει νανο-μεγέθους μεταλλικά σωματίδια.
Η μελέτη αναφέρει ενεργειακή πυκνότητα περίπου 47 Wh/kg στα πειράματα, τιμή που πλησιάζει (αν και δεν φτάνει) ορισμένες σύγχρονες χημείες.
Υβρίδιο «υπερπυκνωτή – μπαταρίας»: γρήγορη φόρτιση, αξιοπρεπής πυκνότητα ενέργειας
Λόγω της μεγιστοποιημένης επιφάνειας της νανοδομής, μπορούν να επιτευχθούν εξαιρετικά γρήγορες διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης, συγκρίσιμες με τη συμπεριφορά ενός πυκνωτή.
Ταυτόχρονα, η ενεργειακή πυκνότητα στα πειράματα καταγράφηκε στις 47 Wh/kg, δηλαδή όχι υπερβολικά μακριά από σύγχρονες μπαταρίες.
Επιπλέον, στο εργαστήριο φάνηκε υψηλή σταθερότητα της δομής, καθώς άντεξε πάνω από 12.000 κύκλους φόρτισης. Ωστόσο, δεν αναφέρθηκε για πόσο χρόνο μπορεί να διατηρηθεί αποθηκευμένη η ενέργεια (διάρκεια/αυτοεκφόρτιση).
Γιατί ενδιαφέρει: χωρίς σπάνια στοιχεία και με στόχο τη σταθερή αποθήκευση
Επειδή αποφεύγονται τα σπάνια στοιχεία, η τεχνολογία θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για σταθερούς (stationary) αποθηκευτές — για παράδειγμα, σε συνδυασμό με φωτοβολταϊκά, όπου συχνά απαιτείται αποθήκευση μόνο για λίγες ώρες.
Πριν φτάσουμε εκεί, η αρχή πρέπει να βγει από το εργαστήριο και να μετατραπεί σε μια πραγματικά λειτουργική κυψέλη, ενώ παράλληλα πρέπει να αποδειχθεί ότι μπορεί να μεταφερθεί σε βιομηχανική διαδικασία.
Τα εργαστηριακά αποτελέσματα δεν ισοδυναμούν πάντα με εμπορική ωριμότητα. Η κλιμάκωση παραγωγής και ο έλεγχος ποιότητας είναι συχνά το δυσκολότερο βήμα.
Πίνακας: Βασικά στοιχεία που αναφέρονται για τη νανοδομημένη κυψέλη
| Παράμετρος | Τιμή/Περιγραφή | Τι σημαίνει πρακτικά |
|---|---|---|
| Χημεία | Νικέλιο (κάθοδος) – Σίδηρος (άνοδος) | Χρήση άφθονων υλικών, πιθανή μείωση κόστους/ρίσκου εφοδιασμού |
| Μέγεθος δομών | Clusters < 5 nm | Μεγαλύτερη ενεργή επιφάνεια, γρηγορότερες αντιδράσεις |
| Συνδετικό υλικό | Οξείδιο γραφενίου → άνθρακας μετά τη θέρμανση | Δημιουργεί αγώγιμο δίκτυο με νανοσωματίδια μετάλλου |
| Ενεργειακή πυκνότητα | ~47 Wh/kg (σε πειράματα) | Κατάλληλη ένδειξη για stationary χρήσεις, όχι απαραίτητα για υψηλή αυτονομία |
| Διάρκεια κύκλων | > 12.000 κύκλοι (εργαστήριο) | Ισχυρό πλεονέκτημα σε εφαρμογές με συχνή φόρτιση/εκφόρτιση |
| Διάρκεια αποθήκευσης | Δεν αναφέρεται | Κρίσιμο για αυτοεκφόρτιση και εφαρμογές μακράς εφεδρείας |
Πίνακας: Ενδεικτική σύγκριση χημειών για χρήση σε σταθερή αποθήκευση
| Χημεία | Δυνατό σημείο | Συχνός περιορισμός | Ταιριάζει σε |
|---|---|---|---|
| Νικέλιο-Σίδηρος (νανοδομημένο) | Πολύ υψηλοί κύκλοι, άφθονα υλικά | Αβεβαιότητες κλιμάκωσης/διάρκειας αποθήκευσης | Stationary, συχνή κυκλική χρήση |
| Li-ion (γενικά) | Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα | Κόστος/θερμική διαχείριση/γήρανση | Κινητικότητα, οικιακά storage |
| LFP (LiFePO4) | Ασφάλεια, κύκλοι | Χαμηλότερη πυκνότητα από άλλα Li-ion | Σταθερή αποθήκευση, EVs |
| Μολύβδου-οξέος | Χαμηλό κόστος, ώριμη τεχνολογία | Βάρος, μικρότεροι κύκλοι | UPS, εφεδρεία, χαμηλό budget |
Τι σημαίνουν οι 12.000 κύκλοι και τι πρέπει να αποδειχθεί στην πράξη
Οι 12.000 κύκλοι φόρτισης είναι εντυπωσιακός αριθμός, όμως χρειάζεται σωστή ερμηνεία.
Στην αγορά, η «διάρκεια ζωής» δεν είναι μόνο κύκλοι, αλλά και ημερολογιακή γήρανση (calendar life): πως αλλάζει η απόδοση με τα χρόνια, ακόμη κι αν η μπαταρία δεν δουλεύει έντονα.
Για εφαρμογές σταθερής αποθήκευσης, το ιδανικό είναι ένας συνδυασμός υψηλών κύκλων και χαμηλής γήρανσης σε πραγματικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος.
Επίσης, σημαντικό ρόλο παίζει το βάθος εκφόρτισης (DoD). Μια τεχνολογία μπορεί να αντέχει πολλούς κύκλους σε ρηχές εκφορτίσεις, αλλά να φθείρεται γρηγορότερα όταν χρησιμοποιείται στο 80–100% της χωρητικότητας.
Γι’ αυτό, σε μελλοντικές δοκιμές θα έχει αξία να δημοσιεύονται τυποποιημένα σενάρια, όπως 25%, 50% και 80% DoD, ώστε να συγκρίνονται δίκαια διαφορετικές χημείες.
Πρακτικά σημεία που θα κρίνουν τη χρησιμότητα σε φωτοβολταϊκά και δίκτυο
- Απόδοση (round-trip efficiency): πόση ενέργεια χάνεται στον κύκλο φόρτισης/εκφόρτισης. Για αποθήκευση λίγων ωρών, η απόδοση είναι κρίσιμη για το οικονομικό αποτέλεσμα.
- Αυτοεκφόρτιση: ειδικά αν ο στόχος επεκταθεί σε εφεδρεία ή σε αποθήκευση ημερών, η διαρροή φορτίου γίνεται καθοριστική.
- Ασφάλεια και θερμική συμπεριφορά: οι stationary εγκαταστάσεις απαιτούν προβλέψιμη λειτουργία χωρίς σύνθετα συστήματα πυροπροστασίας.
- Κόστος παραγωγής και κλιμάκωση: η νανοκατασκευή πρέπει να αποδειχθεί αναπαραγώγιμη σε μεγάλους όγκους, με σταθερή ποιότητα.
Τι να παρακολουθεί ο αναγνώστης στα επόμενα νέα
- Αν η τεχνολογία περνά από δείγματα εργαστηρίου σε πρωτότυπες κυψέλες πλήρους μεγέθους.
- Αν ανακοινωθούν μετρήσεις για διάρκεια αποθήκευσης και αυτοεκφόρτιση.
- Αν υπάρξει εκτίμηση για κόστος ανά kWh σε βιομηχανική παραγωγή.
Αν αυτά τα σημεία επιβεβαιωθούν θετικά, η νανοδομημένη μπαταρία νικελίου-σιδήρου θα μπορούσε να γίνει ισχυρός υποψήφιος για εφαρμογές όπου προτεραιότητα δεν είναι η μέγιστη αυτονομία ανά κιλό, αλλά η ανθεκτικότητα, η βιωσιμότητα υλικών και η πολύ συχνή κυκλική χρήση σε εγκαταστάσεις ανανεώσιμων πηγών.
