De la laptopuri până la smartphone-uri până la industria auto în expansiune, lumea noastră se bazează tot mai mult pe bateriile reîncărcabile. Dar, după cum știe oricine deține un laptop de mai bine de câțiva ani, bateriile își pierd în cele din urmă capacitatea de a deține o încărcare completă.
Oamenii de știință nu au înțeles cu adevărat de ce se întâmplă acest lucru, ceea ce a făcut o problemă dificilă de remediat. În conformitate cu o serie de studii recente efectuate de cercetători de la Departamentul de Energie al SUA, publicate în jurnalul Nature Communications, este posibil să fim mai aproape ca niciodată de o baterie care nu se degradează.
Lucrând în mod specific cu baterii cu ioni de litiu, utilizate în mod obișnuit în dispozitivele de consum, datorită greutății lor ușoare și capacității mari, oamenii de știință au cartografiat procesul de încărcare și descărcare până la miliarde de metri pentru a înțelege mai bine cum funcționează degradarea. Au descoperit doi vinovați în degradarea bateriei. Primul: vulnerabilitățile microscopice din structura materialului bateriei conduc ionii de litiu în mod întâmplător prin celulă, erodând bateria în mod aparent aleatoriu, la fel ca rugina se răspândește prin imperfecțiunile din oțel. În cel de-al doilea studiu, axat pe găsirea celui mai bun echilibru între tensiune, capacitatea de stocare și ciclurile de încărcare maximă, cercetătorii nu numai că au descoperit probleme similare cu fluxul de ioni, ci și acumulări minuscule de cristale nano-la scară lăsate în urma reacțiilor chimice, care provoacă fluxul de ioni pentru a deveni și mai neregulat după fiecare încărcare. Funcționarea bateriilor la tensiuni mai mari a dus, de asemenea, la mai multe nereguli ale căii ionice și, astfel, o baterie care se deteriorează mai rapid.
Continut Asemanator
- Mașinile electrice pot face orașele mai reci
S-ar putea părea că oamenii de știință ar fi trebuit să înțeleagă pe deplin bateria - o tehnologie care este efectiv în jurul valorii de la 1800 - cu zeci de ani în urmă. Dar Huolin Xin, un om de știință al materialelor la Brookhaven Lab și coautor la ambele studii, spune că combinația câștigătoare a noilor tehnologii a devenit disponibilă recent.
„Multe instrumente de caracterizare de ultimă generație, cum ar fi microscopurile electronice corectate prin aberație și noile tehnici de raze X cu sincrotron, nu au fost disponibile în urmă cu 10 ani”, spune Xin. Dar acum, spune el, ele pot fi aplicate la studiul bateriilor cu ioni de litiu.
Noile date oferă cercetătorilor o imagine mai clară a modului în care funcționează aceste baterii, ceea ce ar putea conduce la un viitor nu prea îndepărtat al bateriilor de lungă durată din electronice de consum. Dar, de asemenea, prezintă noi probleme. Xin spune că maximizarea suprafeței este importantă pentru performanțele bateriei, dar o suprafață mai mare facilitează, de asemenea, degradarea.
„Pentru a preveni [degradarea suprafeței], putem să acoperim catodul cu un strat de protecție”, spune Xin, „sau să ascundem aceste suprafețe creând limite în pulberile de dimensiunea micronului [în interiorul celulei]”.
Găsirea celor mai eficiente, rentabile modalități de a face acest lucru va face parte dintr-o fază viitoare a cercetării.
Dar Daniel Abraham, un om de știință concentrat pe cercetarea bateriilor cu ioni de litiu la Laboratorul Național Argonne din afara Chicago, este sceptic că noile studii reprezintă o descoperire reală. El spune că lucrările de cartografiere cu materiale similare au fost făcute în trecut, inclusiv de echipa sa în urmă cu aproximativ 12 ani. De asemenea, el crede că ar putea exista mai multe degradări ale bateriei decât ceea ce au descoperit noile studii.
„Încearcă să facă o corelație între degradarea performanței și imaginile pe care le văd, ceea ce poate nu este corect”, spune Abraham. "Este parțial povestea, dar nu cred că este întreaga poveste."
Xin, este mai optimist că lucrările vor duce la îmbunătățiri ale bateriei, nu numai pentru viitoarele vehicule electrice, dar și pentru electronice portabile.
"Catodul de litiu-nichel-mangan-cobalt-oxid a fost identificat recent ca fiind singurul material viabil din punct de vedere comercial pentru bateriile cu ioni de litiu de generație viitoare", spune Xin. „Prin rezolvarea problemei sale de degradare, putem face ca bateriile de generație următoare să fie mai mici și să le facem să se încarce și să se descarce mai fiabil.”
Cei doi experți în baterie sunt de acord, însă, că pentru multe aplicații viitoare importante, găsirea unei modalități de a face baterii care nu se uzează la fel de rapid este la fel de importantă ca crearea de baterii cu o capacitate mai mare.
Xin subliniază că cumpărătorii de mașini electrice își fac griji în mod justificat de avarierea bateriei după expirarea garanției. Abraham observă că, deși probabil aveți nevoie doar de câțiva ani de performanță de la bateria smartphone-ului sau a tabletei, pentru vehiculele electrice, majoritatea proprietarilor caută o baterie care durează 10 - 15 ani. Iar pentru utilizarea în rețeaua electrică (pentru a stoca excesul de energie produsă în orele de vârf), bateriile ar trebui să dureze 30 de ani sau mai mult.
Acest lucru face ca construirea unei baterii mai bune pentru laptopul dvs. să fie mult mai ușoară decât rezolvarea problemelor de longevitate din alte domenii.
„Este bine să aveți o densitate energetică mai mare, dar dacă obțineți o densitate energetică ridicată, dar nu o viață lungă, atunci viabilitatea comercială a acestor tehnologii este pusă în discuție”, spune Abraham. „Întrucât, dacă puteți demonstra că aveți o tehnologie nouă și poate dura între doi și 30 de ani, aceasta devine imediat viabilă comercial.”
În timp ce activitatea lui Xin și a colegilor săi îi pot ajuta pe cercetători să creeze baterii care nu se degradează la fel de rapid, este clar că vor fi necesare noi descoperiri înainte de a vedea bateriile reîncărcabile care durează un deceniu sau mai mult, fără uzură serioasă.
