ΜΙΤ: Μπαταρίες χωρίς κοβάλτιο -αποδοτικές, φθηνές και βιώσιμες- για τα ηλεκτρικά οχήματα

Πολλά ηλεκτρικά οχήματα τροφοδοτούνται από μπαταρίες που περιέχουν κοβάλτιο — ένα μέταλλο που επιφέρει υψηλό οικονομικό, περιβαλλοντικό και κοινωνικό κόστος. Ερευνητές του MIT σχεδίασαν ένα υλικό μπαταρίας, που θα μπορούσε να προσφέρει έναν πιο βιώσιμο τρόπο τροφοδοσίας ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Η νέα μπαταρία ιόντων λιθίου περιλαμβάνει μια κάθοδο που βασίζεται σε οργανικά υλικά, αντί για κοβάλτιο ή νικέλιο (άλλο μέταλλο που χρησιμοποιείται συχνά σε μπαταρίες ιόντων λιθίου).

Σε μια νέα μελέτη, οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτό το υλικό, το οποίο θα μπορούσε να παραχθεί με πολύ χαμηλότερο κόστος από τις μπαταρίες που περιέχουν κοβάλτιο, μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό με παρόμοιους ρυθμούς όπως οι μπαταρίες κοβαλτίου. Η νέα μπαταρία έχει επίσης συγκρίσιμη χωρητικότητα αποθήκευσης και μπορεί να φορτιστεί πιο γρήγορα από τις μπαταρίες κοβαλτίου, αναφέρουν οι ερευνητές.

«Πιστεύω ότι αυτό το υλικό θα μπορούσε να έχει μεγάλο αντίκτυπο γιατί λειτουργεί πολύ καλά», λέει ο Μιρσέα Ντίντσα, Καθηγητής Ενέργειας στο MIT. «Είναι ήδη ανταγωνιστική με τις υφιστάμενες τεχνολογίες και μπορεί να εξοικονομήσει πολύ από το κόστος και τον πόνο και τα περιβαλλοντικά ζητήματα που σχετίζονται με την εξόρυξη μετάλλων που επί του παρόντος μπαίνουν σε μπαταρίες».

Εναλλακτικές λύσεις για το κοβάλτιο

Τα περισσότερα ηλεκτρικά αυτοκίνητα τροφοδοτούνται από μπαταρίες ιόντων λιθίου, έναν τύπο μπαταρίας που επαναφορτίζεται όταν ιόντα λιθίου ρέουν από ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται κάθοδος, σε ένα αρνητικά ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται άνοδος. Στις περισσότερες μπαταρίες ιόντων λιθίου, η κάθοδος περιέχει κοβάλτιο, ένα μέταλλο που προσφέρει υψηλή σταθερότητα και πυκνότητα ενέργειας.

Ωστόσο, το κοβάλτιο έχει σημαντικά μειονεκτήματα. Είναι ένα σπάνιο μέταλλο, η τιμή του μπορεί να παρουσιάζει δραματικές διακυμάνσεις και πολλά από τα κοιτάσματα κοβαλτίου στον κόσμο βρίσκονται σε πολιτικά ασταθείς χώρες. Η εξόρυξη κοβαλτίου δημιουργεί επικίνδυνες συνθήκες εργασίας και δημιουργεί τοξικά απόβλητα που μολύνουν τη γη, τον αέρα και το νερό που περιβάλλουν τα ορυχεία.

«Οι μπαταρίες κοβαλτίου μπορούν να αποθηκεύσουν πολλή ενέργεια και έχουν όλα τα χαρακτηριστικά που ενδιαφέρουν όσον αφορά την απόδοση, αλλά έχουν το πρόβλημα να μην είναι ευρέως διαθέσιμα και το κόστος κυμαίνεται ευρέως ανάλογα με τις τιμές των εμπορευμάτων. Και, καθώς μεταβαίνουμε σε πολύ υψηλότερο ποσοστό ηλεκτροκίνητων οχημάτων στην αγορά, σίγουρα θα γίνει πιο ακριβό», λέει ο Ντίντσα.

Λόγω των πολλών μειονεκτημάτων του κοβαλτίου, έχει γίνει μεγάλη έρευνα στην προσπάθεια ανάπτυξης εναλλακτικών υλικών μπαταριών. Ένα τέτοιο υλικό είναι το λίθιο-σίδηρο-φωσφορικό (LFP), το οποίο ορισμένοι κατασκευαστές αυτοκινήτων αρχίζουν να χρησιμοποιούν στα ηλεκτρικά οχήματα. Αν και εξακολουθεί να είναι πρακτικά χρήσιμο, το LFP έχει μόνο περίπου τη μισή ενεργειακή πυκνότητα από τις μπαταρίες κοβαλτίου και νικελίου.

Μια άλλη ελκυστική επιλογή είναι τα οργανικά υλικά, αλλά μέχρι στιγμής τα περισσότερα από αυτά τα υλικά δεν ήταν σε θέση να ταιριάξουν με την αγωγιμότητα, την ικανότητα αποθήκευσης και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών που περιέχουν κοβάλτιο. Λόγω της χαμηλής αγωγιμότητάς τους, τέτοια υλικά πρέπει συνήθως να αναμιγνύονται με συνδετικά όπως πολυμερή, τα οποία τα βοηθούν να διατηρήσουν ένα αγώγιμο δίκτυο. Αυτά τα συνδετικά, τα οποία αποτελούν τουλάχιστον το 50% του συνολικού υλικού, μειώνουν την ικανότητα αποθήκευσης της μπαταρίας.

Πριν από περίπου έξι χρόνια, το εργαστήριο του Ντιντσα άρχισε να εργάζεται σε ένα έργο, χρηματοδοτούμενο από τη Lamborghini, για την ανάπτυξη μιας οργανικής μπαταρίας που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Ενώ εργάζονταν σε πορώδη υλικά που ήταν εν μέρει οργανικά και εν μέρει ανόργανα, ο Ντίντσα και οι μαθητές του συνειδητοποίησαν ότι ένα πλήρως οργανικό υλικό που είχαν φτιάξει φαινόταν ότι θα μπορούσε να είναι ισχυρός αγωγός.

Αυτό το υλικό αποτελείται από πολλά στρώματα TAQ (δις-τετρααμινοβενζοκινόνη), ένα οργανικό μικρό μόριο που περιέχει τρεις συντηγμένους εξαγωνικούς δακτυλίους. Αυτά τα στρώματα μπορούν να εκτείνονται προς τα έξω προς κάθε κατεύθυνση, σχηματίζοντας μια δομή παρόμοια με τον γραφίτη. Μέσα στα μόρια υπάρχουν χημικές ομάδες που ονομάζονται κινόνες, οι οποίες είναι οι δεξαμενές ηλεκτρονίων, και αμίνες, οι οποίες βοηθούν το υλικό να σχηματίσει ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου.

Αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου καθιστούν το υλικό εξαιρετικά σταθερό και επίσης πολύ αδιάλυτο. Αυτή η αδιαλυτότητα είναι σημαντική επειδή εμποδίζει το υλικό να διαλυθεί στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας, όπως κάνουν ορισμένα οργανικά υλικά μπαταρίας, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του.

«Μία από τις κύριες μεθόδους αποικοδόμησης των οργανικών υλικών είναι ότι απλώς διαλύονται στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας και περνούν στην άλλη πλευρά της μπαταρίας, δημιουργώντας ουσιαστικά βραχυκύκλωμα. Εάν κάνουμε το υλικό εντελώς αδιάλυτο, αυτή η διαδικασία δεν συμβαίνει, οπότε μπορούμε να πάμε σε πάνω από 2.000 κύκλους φόρτισης με ελάχιστη υποβάθμιση», λέει ο Ντίντσα.

Ισχυρή απόδοση

Οι δοκιμές αυτού του υλικού έδειξαν ότι η αγωγιμότητα και η ικανότητα αποθήκευσης ήταν συγκρίσιμες με αυτές των παραδοσιακών μπαταριών που περιέχουν κοβάλτιο. Επίσης, οι μπαταρίες με κάθοδο TAQ μπορούν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν ταχύτερα από τις υπάρχουσες μπαταρίες, γεγονός που θα μπορούσε να επιταχύνει τον ρυθμό φόρτισης για ηλεκτρικά οχήματα.

Για να σταθεροποιήσουν το οργανικό υλικό και να αυξήσουν την ικανότητά του να προσκολλάται στον συλλέκτη ρεύματος της μπαταρίας, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από χαλκό ή αλουμίνιο, οι ερευνητές πρόσθεσαν υλικά πλήρωσης όπως κυτταρίνη και καουτσούκ. Αυτά τα πληρωτικά αποτελούν λιγότερο από το ένα δέκατο του συνολικού σύνθετου υλικού καθόδου, επομένως δεν μειώνουν σημαντικά τη χωρητικότητα αποθήκευσης της μπαταρίας.

Αυτά τα πληρωτικά επεκτείνουν επίσης τη διάρκεια ζωής της καθόδου της μπαταρίας, αποτρέποντας τη ρωγμή της όταν τα ιόντα λιθίου ρέουν στην κάθοδο καθώς η μπαταρία φορτίζεται.

Τα πρωτογενή υλικά που απαιτούνται για την κατασκευή αυτού του τύπου καθόδου είναι ένας πρόδρομος της κινόνης και ένας πρόδρομος αμίνης, τα οποία είναι ήδη διαθέσιμα στο εμπόριο και παράγονται σε μεγάλες ποσότητες ως χημικά προϊόντα. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι το κόστος υλικού για τη συναρμολόγηση αυτών των οργανικών μπαταριών θα μπορούσε να είναι περίπου το ένα τρίτο έως το μισό του κόστους των μπαταριών κοβαλτίου.

Η Lamborghini έχει αδειοδοτήσει το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την τεχνολογία. Το εργαστήριο του Ντίντσα σχεδιάζει να συνεχίσει να αναπτύσσει εναλλακτικά υλικά μπαταριών και διερευνά πιθανή αντικατάσταση του λιθίου με νάτριο ή μαγνήσιο, τα οποία είναι φθηνότερα και πιο άφθονα από το λίθιο.

Μπορείτε να δείτε το πρωτότυπο άρθρο στο MIT News