Οι μπαταρίες αποτελούν το κλειδί για τη μελλοντική βιώσιμη ενέργεια, αλλά αντιμετωπίζουν προκλήσεις στη διατήρηση της χωρητικότητας και στην ανθεκτικότητα. Μία από τις μεγαλύτερες τεχνολογικές προκλήσεις είναι η αποθήκευση ενέργειας που προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, όπως η αιολική και η ηλιακή. Παρόλο που τα ορυκτά καύσιμα αποθηκεύουν ενέργεια μέσω χημικών δεσμών, η αποθήκευση βιώσιμων μορφών ενέργειας παραμένει μια δύσκολη διαδικασία.
Σύμφωνα με τον Eric Detsi, αναπληρωτή καθηγητή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών (MSE), η λύση για το μέλλον είναι οι μπαταρίες, με την προϋπόθεση ότι θα είναι αρκετά ισχυρές ώστε να ανταποκριθούν στις αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας εκτιμά ότι η παγκόσμια χωρητικότητα των μπαταριών πρέπει να αυξηθεί κατά έξι φορές μέχρι το 2030, αλλά αυτή τη στιγμή οι τεχνολογίες δεν επαρκούν.
Οι προκλήσεις στις σημερινές μπαταρίες
Οι περισσότερες μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σήμερα, όπως οι αλκαλικές και οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου, βασίζονται σε ηλεκτρόδια από στερεά υλικά, όπως οξείδια μετάλλων ή γραφίτης. Όμως, κάθε κύκλος φόρτισης και εκφόρτισης προκαλεί φθορά στο υλικό, καθώς τα ηλεκτρόδια διαστέλλονται και συστέλλονται έως και 300%, γεγονός που μειώνει σταδιακά την απόδοσή τους.
Ο Δέτση επισημαίνει ότι η χωρητικότητα των μπαταριών μειώνεται ακριβώς λόγω αυτής της διαστολής και συστολής των υλικών, κάτι που οδηγεί τελικά στην αποτυχία τους. Χαρακτηριστικά αναφέρει: «Χρειαζόμαστε υλικά που μπορούν να αποθηκεύσουν μεγάλη ποσότητα λιθίου, νατρίου και μαγνησίου, χωρίς να υποβάλλονται σε εκτεταμένη φθορά κατά τη διάρκεια της φόρτισης και εκφόρτισης».
Η ανάγκη για νέα υλικά
Για να αντιμετωπιστεί το ζήτημα της φθοράς των μπαταριών, ορισμένοι ερευνητές, όπως ο John Goodenough, βραβευμένος με Νόμπελ για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, έχουν στραφεί σε μπαταρίες με υγρά ηλεκτρόδια, που δεν υπόκεινται στην ίδια φθορά λόγω της μεταβολής του όγκου τους. Ωστόσο, τα υγρά ηλεκτρόδια αντιμετωπίζουν νέες προκλήσεις, όπως η ασφάλεια και η σταθερότητα κατά τη χρήση.
Παράλληλα, τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως στις μπαταρίες, όπως το λίθιο και το κοβάλτιο, γίνονται όλο και πιο ακριβά και συνδέονται με ζητήματα ανθρωπίνων δικαιωμάτων, κυρίως λόγω των μεθόδων εξόρυξης τους. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το κοβάλτιο από τη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό, όπου παρατηρούνται ακραίες συνθήκες εργασίας. Αυτό δημιουργεί την ανάγκη για πιο ηθικά και οικονομικά αποδοτικά υλικά.
Αυτοθεραπευόμενες μπαταρίες: Η λύση του μέλλοντος
Ο Δέτση και η ομάδα του διερευνούν τη δυνατότητα ανάπτυξης αυτοθεραπευόμενων μπαταριών, χρησιμοποιώντας υλικά όπως το νάτριο και το μαγνήσιο, που είναι φθηνότερα και άφθονα στη φύση. Αυτά τα υλικά επιτρέπουν τη μετατόπιση των ηλεκτροδίων μεταξύ υγρής και στερεάς κατάστασης, μειώνοντας έτσι τη φθορά κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης.
«Όταν το υλικό της μπαταρίας μεταβαίνει σε υγρή κατάσταση, αυτοθεραπεύεται από τη φθορά που προκαλείται κατά τη φόρτιση», εξηγεί ο Δέτση. Το εργαστήριό του έχει ήδη αναπτύξει ηλεκτρόδια από πενταγαλλίδιο μαγνησίου (Mg2Ga5), ένα κράμα που μπορεί να μεταβαίνει από τη στερεά στη ρευστή φάση χωρίς να φθείρεται.
Εφαρμογές και πειράματα
Το 2019, η ομάδα του Δέτση, σε συνεργασία με τον Vivek Shenoy, έδειξε ότι οι αυτοθεραπευόμενες μπαταρίες μπορούν να αντέξουν πάνω από 1.000 κύκλους φόρτισης, σε σύγκριση με τους μόλις 200 κύκλους των παραδοσιακών μπαταριών ιόντων μαγνησίου. Πρόσφατα, η ομάδα του κατάφερε να αναπτύξει μπαταρίες που αντέχουν σε 2.000 κύκλους φόρτισης, διατηρώντας το 91% της χωρητικότητάς τους, ένα πρωτόγνωρο επίτευγμα.
Αυτό το βήμα ανοίγει νέες δυνατότητες για την εμπορική εφαρμογή των αυτοθεραπευόμενων μπαταριών σε ηλεκτρικά οχήματα και αποθήκευση ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα. Οι αυτοθεραπευόμενες μπαταρίες έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν δραστικά την αποθήκευση ενέργειας, κάνοντάς τη πιο αποδοτική και μακροχρόνια.
Η σημασία των αυτοθεραπευόμενων υλικών
Η δυνατότητα των αυτοθεραπευόμενων υλικών να ανακάμπτουν από τις φθορές ανοίγει τον δρόμο για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών μπαταριών. Σύμφωνα με την έρευνα που δημοσιεύθηκε το 2023, η ομάδα του Δέτση χρησιμοποίησε σύγχρονες τεχνικές απεικόνισης, όπως ακτίνες Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία, για να κατανοήσει καλύτερα τη διαδικασία αυτοθεραπείας.
Αυτές οι ανακαλύψεις προσφέρουν νέες προοπτικές για την επίλυση του προβλήματος της ενεργειακής αποθήκευσης, ιδιαίτερα σε τομείς όπως τα ηλεκτρικά οχήματα και η ανανεώσιμη ενέργεια. Οι αυτοθεραπευόμενες μπαταρίες υπόσχονται μεγαλύτερη ανθεκτικότητα και μείωση του κόστους παραγωγής, προσφέροντας μια πιο βιώσιμη και αποδοτική λύση.
Το μέλλον των μπαταριών και οι προκλήσεις
Αν και οι αυτοθεραπευόμενες μπαταρίες δείχνουν πολλά υποσχόμενες, η εμπορική τους εφαρμογή παραμένει πρόκληση. Πρέπει να ληφθούν υπόψη η παραγωγική διαδικασία και το κόστος, καθώς και οι τεχνικές βελτιώσεις για να φτάσουν σε επίπεδα μαζικής παραγωγής. Παρά τις προκλήσεις, η έρευνα της ομάδας του Δέτση έχει ήδη κάνει σημαντικά βήματα, ανοίγοντας τον δρόμο για την εξέλιξη της ενεργειακής αποθήκευσης.
Οι αυτοθεραπευόμενες μπαταρίες θα μπορούσαν να διαδραματίσουν καταλυτικό ρόλο στην ανάπτυξη ηλεκτρικών οχημάτων και συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, που θα στηρίζουν τη μετάβαση σε μια πιο πράσινη οικονομία.
Συμπέρασμα
Με αυτές τις ανακαλύψεις, η ερευνητική κοινότητα προετοιμάζεται για μια νέα εποχή μπαταριών που θα βελτιώσει την αποθήκευση ενέργειας και θα προσφέρει λύσεις σε κρίσιμα περιβαλλοντικά ζητήματα.
