O descoperire crucială în tehnologia bateriilor ar putea influența transporturile

Vehiculele alimentate cu baterii au schimbat semnificativ piața transporturilor. Dar pentru a alimenta vehiculele pentru distanțe mai mari, tehnologia bateriilor trebuie să devină mai ieftină.

De asemenea, sunt de dorit și bateriile ieftine capabile să stocheze în rețea energia curată intermitentă din tehnologiile solare și eoliene și să alimenteze sute de mii de case.

• Telescopul Webb a găsit o populație neobișnuit de mare de asteroizi între Jupiter și Marte
• Un nou studiu dezvăluie cum au jucat cometele un rol „major” în apariția vieții pe Pământ

Pentru a satisface aceste nevoi, cercetătorii din întreaga lume se întrec pentru a dezvolta tehnologia bateriilor dincolo de standardul actual al materialelor litiu-ion.

Care este tehnologia bateriilor care ar putea schimba lumea?

Unul dintre cei mai promițători candidați este bateria sodiu-ion. Aceasta este deosebit de atractivă datorită abundenței mai mari și a costului mai mic al sodiului în comparație cu litiul. În plus, atunci când este folosită la tensiune înaltă, o baterie sodiu-ion poate crește foarte mult cantitatea de energie care poate fi stocată într-o anumită greutate sau volum.

Cu toate acestea, scăderea destul de rapidă a performanței sale a împiedicat comercializarea.

Ce au descoperit cercetătorii?

Cercetătorii de la Argonne National Laboratory al Department of Energy (DOE) din SUA au descoperit un motiv cheie pentru degradarea performanței: apariția defectelor în structura atomică care se formează în timpul etapelor implicate în pregătirea materialului catodic.

Aceste defecte duc în cele din urmă la un cutremur structural în catod, ducând la o scădere catastrofală a performanței în timpul folosirii bateriei. Înarmați cu aceste cunoștințe, dezvoltatorii de baterii vor putea acum să ajusteze condițiile de sinteză pentru a fabrica catozi sodiu-ion mult superiori.

Cheia pentru realizarea acestei descoperiri a fost încrederea echipei în capacitățile științifice de clasă mondială disponibile la Center for Nanoscale Materials (CNM) din cadrul Argonne și de la Advanced Photon Source (APS), ambele fiind facilități pentru utilizatori DOE Office of Science.

„Aceste capacități ne-au permis să urmărim schimbările în structura atomică a materialului catodic în timp real în timp ce acesta este sintetizat”, a spus Guiliang Xu, chimist asistent în divizia de științe chimice și inginerie din Argonne, scrie Tech Xplore.

În ce a constat studiul?

În timpul sintezei catodului, producătorii de materiale încălzesc încet amestecul catodic la o temperatură foarte ridicată în aer, îl mențin așa pentru o anumită perioadă de timp, apoi scad rapid temperatura până la temperatura camerei.

„A vedea înseamnă a crede. Cu facilitățile științifice de clasă mondială ale lui Argonne, nu trebuie să ghicim ce se întâmplă în timpul sintezei”, a spus Yuzi Liu, om de știință la CNM. În acest scop, echipa a apelat la microscopul electronic de transmisie al CNM și la fasciculele de raze X sincrotron de la APS.

Datele lor au arătat că la scăderea rapidă a temperaturii în timpul sintezei materialelor, suprafața particulelor catodului devenise mai puțin netedă și prezenta suprafețe mari care indicau deformare. Datele au arătat, de asemenea, că un efect de tip „împinge-trage” din aceste zone are loc în timpul ciclurilor catodice, provocând crăparea particulelor catodice și scăderea performanței.

Tehnologia bateriilor care va crește autonomia vehiculelor electrice

În urma unor studii ulterioare, echipa a descoperit că această degradare s-a intensificat atunci când catozii erau folosiți la temperatură ridicată (54 de grade Celsius) sau la încărcare rapidă (o oră în loc de 10 ore).

„Considerațiile noastre sunt extrem de importante pentru fabricarea la scară largă a catozilor sodiu-ion îmbunătățiți. Din cauza cantității mari de material implicat, să zicem, 1000 de kilograme, va exista o variație mare de temperatură, ceea ce va duce la formarea multor defecte dacă nu se iau măsurile adecvate”, a remarcat Khalil Amine, Distinguished Fellow la Argonne.

Cercetările anterioare ale membrilor echipei au dus la un anod mult îmbunătățit. „Acum, ar trebui să putem potrivi catodul nostru îmbunătățit cu anodul pentru a obține o creștere a performanței cu 20%-40%. De asemenea, tehnologia bateriilor va menține acea performanță cu cicluri pe termen lung la tensiune înaltă”, a spus Xu.

Impactul ar putea avea ca rezultat o autonomie de rulare mai mare pentru vehicule electrice mai accesibile și costuri mai mici pentru stocarea energiei în rețeaua electrică.

Echipa și-a publicat cercetările în Nature Communications.

Vă recomandăm să citiți și:

„Pielea din ciuperci”, o alternativă sustenabilă care ar putea salva planeta

Inginerii de la MIT au creat cea mai lungă baterie din fibră flexibilă din lume

Plante reîncărcabile care „strălucesc în întuneric”, tehnologia care ar putea revoluționa traiul modern

O companie susține că a dezvoltat un jetpack atât de simplu încât oricine îl poate folosi