Το Χάρβαρντ αναπτύσσει μπαταρία στερεάς κατάστασης που φορτίζει σε λίγα λεπτά

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ ανέπτυξαν μια νέα μπαταρία στερεάς κατάστασης που μπορεί να επαναφορτιστεί σε 10 λεπτά.

Οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου που αναπτύχθηκαν στο Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) μπορούν επίσης να φορτιστούν και να αποφορτιστούν τουλάχιστον 6.000 φορές.

Η έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Nature Materials περιγράφει έναν νέο τρόπο κατασκευής μπαταριών στερεάς κατάστασης με άνοδο λιθίου. Ο Xin Li, Αναπληρωτής Καθηγητής Επιστήμης Υλικών στο SEAS και ανώτερος συγγραφέας της εργασίας, δήλωσε:

Οι μπαταρίες ανόδου μετάλλου λιθίου θεωρούνται το ιερό δισκοπότηρο των μπαταριών επειδή έχουν δέκα φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα από τις εμπορικές ανόδους γραφίτη και θα μπορούσαν να αυξήσουν δραστικά την απόσταση οδήγησης των ηλεκτρικών οχημάτων.

Η έρευνά μας είναι ένα σημαντικό βήμα προς πιο πρακτικές μπαταρίες στερεάς κατάστασης για βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές.

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στο σχεδιασμό μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι ο σχηματισμός δενδριτών στην επιφάνεια της ανόδου. Οι δενδρίτες είναι προεξοχές μετάλλου που μπορούν να συσσωρευτούν στην επιφάνεια του λιθίου και να αναπτυχθούν σαν ρίζες στον ηλεκτρολύτη. Διαπερνούν το φράγμα που χωρίζει την άνοδο και την κάθοδο, προκαλώντας βραχυκύκλωμα της μπαταρίας ή ακόμα και ανάφλεξη.

Οι δενδρίτες σχηματίζονται όταν τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη φόρτιση, προσκολλώνται στην επιφάνεια της ανόδου σε μια διαδικασία που ονομάζεται επιμετάλλωση. Αυτό δημιουργεί μια ανώμαλη, μη ομοιογενή επιφάνεια στην άνοδο και επιτρέπει στους δενδρίτες να ριζώσουν.

Όταν αποφορτιστεί, αυτή η επικάλυψη που μοιάζει με πλάκα πρέπει να αφαιρεθεί από την άνοδο και όταν η επιμετάλλωση είναι ανομοιόμορφη, η διαδικασία απογύμνωσης μπορεί να είναι αργή και να οδηγήσει σε λακκούβες στην επιφάνεια που προκαλούν ακόμη πιο ανομοιόμορφη επιμετάλλωση στην επόμενη φόρτιση.

Το 2021, η ομάδα σχεδίασε μια μπαταρία πολλαπλών στρώσεων που περιείχε διάφορα υλικά διαφορετικής σταθερότητας μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Αυτός ο σχεδιασμός απέτρεψε τη διείσδυση των δενδριτών λιθίου ελέγχοντάς τους χωρίς να τους εμποδίσει, όμως, εντελώς.

Αλλά σε αυτήν την τελευταία έρευνα, οι ερευνητές σταματούν το σχηματισμό δενδριτών χρησιμοποιώντας μικρά σωματίδια πυριτίου στην άνοδο για να συστέλλουν την αντίδραση λιθίωσης και να διευκολύνουν την ομοιογενή επίστρωση ενός στρώματος μετάλλου λιθίου.

Στο σχέδιο των ερευνητών του Χάρβαρντ, όταν τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την κάθοδο στην άνοδο κατά τη φόρτιση, η αντίδραση λιθίωσης συστέλλεται στη ρηχή επιφάνεια και τα ιόντα προσκολλώνται στην επιφάνεια του σωματιδίου πυριτίου, αλλά δεν διεισδύουν περαιτέρω.

Και, επειδή η επιμετάλλωση και η απογύμνωση μπορούν να γίνουν γρήγορα σε επίπεδη επιφάνεια, η μπαταρία μπορεί να επαναφορτιστεί σε περίπου 10 λεπτά.

Οι ερευνητές κατασκεύασαν μια έκδοση της μπαταρίας σε μέγεθος ταχυδρομικής σφραγίδας, η οποία είναι 10 έως 20 φορές μεγαλύτερη από την κυψέλη νομισμάτων που κατασκευάζεται στα περισσότερα πανεπιστημιακά εργαστήρια. Η μπαταρία στερεάς κατάστασης διατήρησε το 80% της χωρητικότητάς της μετά από 6.000 κύκλους, ξεπερνώντας τις άλλες μπαταρίες που κυκλοφορούν αυτή τη στιγμήστην αγορά.

Το Γραφείο Τεχνολογικής Ανάπτυξης του Χάρβαρντ παραχώρησε άδεια χρήσης για την τεχνολογία στην Adden Energy, μια spinoff εταιρεία του πανεπιστημίου που συνιδρύθηκε από τον Lee και τρεις απόφοιτους του Χάρβαρντ. Η Adden Energy έχει κλιμακώσει την τεχνολογία για την κατασκευή μιας μπαταρίας θήκης σε μέγεθος smartphone.