Η τεχνολογία μπαταριών αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο των καινοτομιών σε τομείς όπως η τεχνητή νοημοσύνη και η υγεία, που έκλεψαν την παράσταση στην πρόσφατη έκθεση τεχνολογίας CES 2024. Ειδικότερα, τα ηλεκτρικά οχήματα αποτελούν το πεδίο όπου αυτή η τεχνολογία δοκιμάζεται εντατικά. Αν και τα σημερινά ηλεκτρικά αυτοκίνητα μπορούν να διανύσουν περίπου 700 χιλιόμετρα με μία φόρτιση, οι ερευνητές επιδιώκουν να φτάσουν τα 1000 χιλιόμετρα.
Η χρήση του πυριτίου, γνωστού για την υψηλή του χωρητικότητα αποθήκευσης, ως ανόδου στις μπαταρίες ιόντων λιθίου για ηλεκτρικά οχήματα αποτελεί έναν ελκυστικό στόχο. Ωστόσο, παρόλο το σημαντικό του δυναμικό, η πρακτική εφαρμογή του πυριτίου παραμένει μια πρόκληση.
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής την Καθηγήτρια Soojin Park, τον υποψήφιο διδάκτορα Minjun Je και τη Δρ. Hye Bin Son από το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTECH) κατάφερε να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο, αναπτύσσοντας ένα οικονομικό και εξαιρετικά σταθερό σύστημα μπαταρίας ιόντων λιθίου υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, χρησιμοποιώντας μικροσωματίδια πυριτίου και ηλεκτρολύτες γέλης πολυμερούς. Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Science στις 17 Ιανουαρίου.
Η χρήση πυριτίου ως υλικού μπαταρίας αντιμετωπίζει προκλήσεις, καθώς αυξάνει το μέγεθος του κατά τρεις φορές κατά τη φόρτιση και συστέλλεται στο αρχικό του μέγεθος κατά την εκφόρτιση, επηρεάζοντας σημαντικά την απόδοση της μπαταρίας. Η χρήση νανοκλίμακας πυριτίου μετριάζει εν μέρει το πρόβλημα, αλλά η περίπλοκη και δαπανηρή διαδικασία παραγωγής αποτελεί σημαντικό περιορισμό. Αντίθετα, το μικροκλίμακας πυρίτιο είναι πιο πρακτικό από οικονομική άποψη και προσφέρει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα. Ωστόσο, το φαινόμενο της διαστολής των μεγαλύτερων σωματιδίων πυριτίου κατά τη λειτουργία της μπαταρίας αποτελεί περιορισμό για τη χρήση του ως υλικού ανόδου.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε ηλεκτρολύτες γέλης πολυμερούς για να αναπτύξει ένα οικονομικό αλλά σταθερό σύστημα μπαταρίας βασισμένο στο πυρίτιο. Ο ηλεκτρολύτης σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου είναι ένα κρίσιμο στοιχείο που διευκολύνει τη μεταφορά ιόντων μεταξύ της κάθοδου και της ανόδου. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς υγρούς ηλεκτρολύτες, οι ηλεκτρολύτες γέλης βρίσκονται σε στερεή ή ημι στερεή κατάσταση, χαρακτηριζόμενοι από μια ελαστική πολυμερική δομή με μεγαλύτερη σταθερότητα από τους υγρούς ομολόγους τους.
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια δέσμη ηλεκτρονίων για να σχηματίσει ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ των μικροσωματιδίων πυριτίου και των ηλεκτρολυτών γέλης. Αυτοί οι ομοιοπολικοί δεσμοί διαχέουν την εσωτερική τάση που προκαλείται από τη διαστολή του όγκου κατά τη λειτουργία της μπαταρίας ιόντων λιθίου, μετριάζοντας τις αλλαγές στον όγκο του μικρο πυριτίου και ενισχύοντας τη δομική σταθερότητα.
Το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό: Η μπαταρία παρουσίασε σταθερή απόδοση ακόμα και με μικροσωματίδια πυριτίου (5μm), τα οποία ήταν εκατό φορές μεγαλύτερα από αυτά που χρησιμοποιούνται στις παραδοσιακές ανόδους νανοπυριτίου. Επιπλέον, το σύστημα πυριτίου-ηλεκτρολύτη γέλης που ανέπτυξε η ερευνητική ομάδα παρουσίασε ιοντική αγωγιμότητα παρόμοια με τις συμβατικές μπαταρίες που χρησιμοποιούν υγρούς ηλεκτρολύτες, με βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας κατά περίπου 40%. Επιπλέον, το σύστημα της ομάδας έχει σημαντική αξία λόγω της απλής διαδικασίας κατασκευής του, που είναι έτοιμη για άμεση εφαρμογή.
Η Καθηγήτρια Soojin Park υπογράμμισε: «Χρησιμοποιήσαμε μια άνοδο μικροπυριτίου και παρόλα αυτά έχουμε μια σταθερή μπαταρία. Αυτή η έρευνα μας φέρνει πιο κοντά σε ένα πραγματικό σύστημα μπαταρίας ιόντων λιθίου υψηλής ενεργειακής πυκνότητας».
Η μελέτη πραγματοποιήθηκε με την υποστήριξη του Προγράμματος Ανεξάρτητων Ερευνητών του Εθνικού Ιδρύματος Έρευνας της Κορέας.
