Οι ερευνητές μηχανικοί από το Πανεπιστήμιο Κορνέλ (Cornell University) ανακάλυψαν την πηγή ενός επίμονου προβλήματος που περιορίζει την ανθεκτικότητα των μπαταριών ιόντων νατρίου, παρέχοντας στους κατασκευαστές νέες στρατηγικές για την τροφοδοσία ενέργειας στον 21ο αιώνα.
Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για ηλεκτρικά οχήματα, το ενεργειακό δίκτυο των πόλεων και άλλες εφαρμογές, επειδή κατασκευάζονται από υλικά που είναι άφθονα στη φύση, είναι άφλεκτα και λειτουργούν καλά σε ψυχρότερες θερμοκρασίες. Αλλά οι μηχανικοί δεν έχουν ακόμη τελειοποιήσει τη χημεία που τις αποτελούν. Ενώ οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που βρίσκονται στις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές μπορούν να επαναφορτιστούν χιλιάδες φορές, οι περισσότερες παραλλαγές μπαταριών ιόντων νατρίου μπορούν να πιάσουν μόνο ένα μικρό ποσοστό αυτών των επαναφορτίσεων.
Η κακή ανθεκτικότητα προέρχεται από μια συγκεκριμένη ατομική αναδιάταξη στη λειτουργία της μπαταρίας – τη μετάβαση φάσης P2 – O2 – καθώς τα ιόντα ταξιδεύουν μέσω των κρυσταλλικών δομών της μπαταρίας και τελικά τις σπάνε. Ενώ η μετάβαση φάσης έχει ενδιαφέρον για τους ερευνητές, οι μηχανισμοί πίσω από αυτήν ήταν δύσκολο να μελετηθούν, ειδικά κατά τη λειτουργία της μπαταρίας.
Βασικές πτυχές αυτού του μηχανισμού ανακαλύφθηκαν από μια ομάδα μηχανικών του Cornell από το εργαστήριο του Andrej Singer, επίκουρου καθηγητή στο τμήμα Μηχανικής Υλικών, ενώ τα ευρήματα αυτής της Μελέτης δημοσιεύτηκαν την 1η Φεβρουαρίου στο περιοδικό Advanced Energy Materials. Ο διδακτορικός φοιτητής Jason Huang είναι ο επικεφαλής της παρούσας έρευνας
Η ομάδα διαπίστωσε ότι καθώς τα ιόντα νατρίου κινούνται μέσω της μπαταρίας, ο εσφαλμένος προσανατολισμός των κρυσταλλικών στρωμάτων μέσα σε μεμονωμένα σωματίδια αυξάνεται προτού τα στρώματα να ευθυγραμμιστούν, λίγο πριν από τη μετάβαση φάσης P2 – O2 .
«Ανακαλύψαμε έναν νέο κρίσιμο μηχανισμό», είπε ο Σίνγκερ. “Κατά τη φόρτιση της μπαταρίας, τα άτομα ξαφνικά ευθυγραμμίζονται ξανά και διευκολύνουν αυτόν τον ελαττωματικό μετασχηματισμό φάσης».
Η ομάδα μπόρεσε να παρατηρήσει το φαινόμενο αφού ανέπτυξε μια νέα τεχνική απεικόνισης ακτίνων Χ χρησιμοποιώντας την πηγή σύγχροτρον υψηλής ενέργειας που υπάρχει στο Cornell, η οποία τους επέτρεψε να παρατηρήσουν, σε πραγματικό χρόνο και σε κλίμακα μάζας, τη συμπεριφορά των μεμονωμένων σωματιδίων μέσα στο δείγμα της μπαταρίας τους.
«Η απροσδόκητη ατομική ευθυγράμμιση είναι αόρατη με τις συμβατικές μετρήσεις περίθλασης ακτίνων Χ, καθώς απαιτεί να δούμε μέσα σε μεμονωμένα νανοσωματίδια καθόδου», είπε ο Singer. «Τα άνευ προηγουμένου σημασίας δεδομένα που βρήκαμε μας επέτρεψαν να ανακαλύψουμε αυτόν τον λεπτό και κρίσιμο, μηχανισμό που οδηγεί σε αστοχία υλικού».
Το εύρημα οδήγησε την ομάδα να προτείνει νέες σχεδιαστικές επιλογές για τον τύπο μπαταρίας ιόντων νατρίου που χρησιμοποιούσαν, τις οποίες σχεδιάζει να διερευνήσει σε μελλοντικά ερευνητικά έργα. Μια λύση είναι να τροποποιηθεί η χημεία της μπαταρίας για να εισαχθεί μια στρατηγική διαταραχή στα σωματίδια λίγο πριν από την εσφαλμένη μεταβατική φάση, σύμφωνα με τον Huang.
«Το σκεπτικό είναι απλό, θα αλλάξουμε τις αναλογίες των μετάλλων μετάπτωσης, σε αυτήν την περίπτωση, του νικελίου και του μαγγανίου», είπε ο Huang, «μπορούμε να εισάγουμε με τεχνητό τρόπο μία μικρής τάξεως αταξία, ώστε να μειώσουμε το φαινόμενο της τάξης που παρατηρήσαμε».
Ο Huang είπε ότι η νέα τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανακάλυψη σύνθετων συμπεριφορών φάσης σε άλλα συστήματα νανοσωματιδίων, αλλά η καλύτερη εφαρμογή της μπορεί να παραμείνει στις τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας επόμενης γενιάς.
Η χρήση αυτής της γνώσης για τον σχεδιασμό καλύτερων μπαταριών θα βοηθήσει στο ξεκλείδωμα αυτής της τεχνολογίας για νέες και πιο σύγχρονες πρακτικές εφαρμογές στο μέλλον»
Διάβασε ακόμη: ZTE Blade V30 Vita
