Διορθώστε αυτό το όνομα: Maria Helena Braga. Πίσω από αυτό το τόσο τυπικά πορτογαλικό όνομα, βρίσκουμε μια ερευνήτρια από τη Σχολή Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Πόρτο, η οποία, χάρη στη δουλειά της, μπορεί να συνέβαλε στην οριστική πρόοδο της τεχνολογίας μπαταριών ιόντων λιθίου.
Η συνεισφορά του περιστρέφεται γύρω από την ανακάλυψη του γυαλιού ηλεκτρολυτών και θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα γενιά μπαταριών - στερεάς κατάστασης -, οι οποίες θα είναι ασφαλέστερες, πιο οικολογικές, προσιτές και θα μπορούν να έχουν έως και 3 φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα. Για να καταλάβετε γιατί όλος αυτός ο ενθουσιασμός, είναι καλή ιδέα να γνωρίζετε για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion).
Οι μπαταρίες Li-ion είναι οι πιο διαδεδομένες σήμερα. Έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλους τύπους μπαταριών, αλλά έχουν και τους περιορισμούς τους.
Μπορούμε να τα βρούμε σε smartphone, ηλεκτρικά οχήματα και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές. Για την παροχή της απαραίτητης ενέργειας, χρησιμοποιούν έναν υγρό ηλεκτρολύτη για τη μεταφορά ιόντων λιθίου μεταξύ της ανόδου (αρνητική πλευρά της μπαταρίας) και της καθόδου (θετική πλευρά).
Αυτό το υγρό βρίσκεται στην καρδιά του θέματος. Η γρήγορη φόρτιση ή εκφόρτιση των μπαταριών λιθίου μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό δενδριτών, οι οποίοι είναι νημάτια λιθίου (αγωγοί). Αυτά τα νήματα μπορούν να προκαλέσουν εσωτερικά βραχυκυκλώματα που μπορεί να προκαλέσουν πυρκαγιές, ακόμη και εκρήξεις.
Η ανακάλυψη της Maria Helena Braga
Η αντικατάσταση του υγρού ηλεκτρολύτη με έναν στερεό ηλεκτρολύτη αποτρέπει το σχηματισμό δενδριτών. Ήταν ακριβώς ένας στερεός ηλεκτρολύτης που ανακάλυψε η Maria Helena Braga, μαζί με τον Jorge Ferreira, όταν εργάζονταν στο Εθνικό Εργαστήριο Ενέργειας και Γεωλογίας.
Η καινοτομία περιλαμβάνει τη χρήση ενός ηλεκτρολύτη συμπαγούς γυαλιού, ο οποίος επιτρέπει τη χρήση μιας ανόδου ενσωματωμένης σε αλκαλικά μέταλλα (λίθιο, στερεό ή κάλιο). Κάτι που μέχρι τώρα δεν ήταν δυνατό. Η χρήση ενός υαλοειδούς ηλεκτρολύτη έχει ανοίξει έναν κόσμο δυνατοτήτων, όπως η αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας της καθόδου και η παράταση του κύκλου ζωής της μπαταρίας.
Η ανακάλυψη δημοσιεύτηκε σε άρθρο το 2014 και τράβηξε την προσοχή της επιστημονικής κοινότητας. Κοινότητα που περιλαμβάνει τον John Goodenough, τον «πατέρα» της σημερινής μπαταρίας λιθίου. Ήταν πριν από 37 χρόνια που εφηύρε από κοινού την τεχνολογική πρόοδο που επέτρεψε στις μπαταρίες ιόντων λιθίου να γίνουν εμπορικά βιώσιμες. Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, ο 94χρονος δεν μπόρεσε να συγκρατήσει τον ενθουσιασμό του για την ανακάλυψη του Πορτογάλου ερευνητή.
Δεν άργησε η Maria Helena Braga να ταξιδέψει στις ΗΠΑ για να αποδείξει στον John Goodenough ότι ο υαλώδης ηλεκτρολύτης της μπορούσε να μεταφέρει ιόντα με την ίδια ταχύτητα με έναν υγρό ηλεκτρολύτη. Έκτοτε, και οι δύο έχουν συνεργαστεί στην έρευνα και ανάπτυξη μπαταριών στερεάς κατάστασης. Αυτή η συνεργασία έχει ήδη δημιουργήσει μια νέα έκδοση του ηλεκτρολύτη.
Η παρέμβαση της Goodenough στη συνεργασία και την ανάπτυξη της μπαταρίας στερεάς κατάστασης ήταν καθοριστική για να δοθεί η απαραίτητη αξιοπιστία σε αυτήν την ανακάλυψη.
Πλεονεκτήματα της μπαταρίας στερεάς κατάστασης
Τα πλεονεκτήματα είναι πολλά υποσχόμενα:- αύξηση της τάσης που θα επιτρέψει μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα για τον ίδιο όγκο - επιτρέπει μια πιο συμπαγή μπαταρία
- επιτρέπει γρήγορη φόρτωση χωρίς παραγωγή δενδρίτη – πάνω από 1200 κύκλους
- περισσότερους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης που επιτρέπουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας
- επιτρέπει τη λειτουργία σε μεγαλύτερο εύρος θερμοκρασιών χωρίς υποβάθμιση - οι πρώτες μπαταρίες μπορούν να λειτουργούν στους -60º Κελσίου
- δυνητικά χαμηλότερο κόστος χάρη στη χρήση υλικών όπως το νάτριο αντί για το λίθιο
Ένα άλλο από τα μεγάλα πλεονεκτήματα είναι ότι τα κύτταρα μπορούν να κατασκευαστούν με υλικά φιλικά προς το περιβάλλον, όπως το προαναφερθέν νάτριο, το οποίο μπορεί να εξαχθεί από το θαλασσινό νερό. Και ακόμη και η ανακυκλωσιμότητά τους δεν είναι θέμα. Το μόνο μειονέκτημα, αν μπορείτε να το ονομάσετε έτσι, είναι ότι η τοποθέτηση αυτών των συμπαγών μπαταριών απαιτεί ένα στεγνό περιβάλλον και κατά προτίμηση χωρίς οξυγόνο.
ΔΕΝ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΧΑΣΕΤΕ: «Ηλεκτρικοί διάδρομοι» σε ενισχυμένες εθνικές οδούς
Η Maria Helena Braga λέει ότι υπάρχουν ήδη μπαταρίες στερεάς κατάστασης: μπαταρίες νομίσματος ή κουμπιού, μπαταρίες μεγέθους νομίσματος που χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, σε ορισμένα ρολόγια. Μπαταρίες με άλλες διαστάσεις έχουν επίσης δοκιμαστεί στο εργαστήριο.
Πότε θα συμβεί αυτός ο τύπος μπαταρίας σε ένα αυτοκίνητο;
Σύμφωνα με τη Maria Helena Braga, τώρα θα εξαρτηθεί από τον κλάδο. Αυτός ο ερευνητής και ο Goodenough έχουν ήδη αποδείξει την εγκυρότητα της ιδέας. Η ανάπτυξη θα πρέπει να γίνει από άλλους. Με άλλα λόγια, δεν θα είναι αύριο ή του χρόνου.
Η μετάβαση από αυτές τις εργαστηριακές προόδους σε εμπορικά προϊόντα είναι μια σημαντική πρόκληση. Μπορεί να χρειαστούν άλλα 15 χρόνια μέχρι να δούμε αυτόν τον νέο τύπο μπαταρίας να εφαρμόζεται στα ηλεκτρικά οχήματα.
Βασικά, είναι απαραίτητο να βρεθούν επεκτάσιμες και οικονομικά αποδοτικές βιομηχανικές διαδικασίες που επιτρέπουν την εκβιομηχάνιση και την εμπορευματοποίηση αυτού του νέου τύπου μπαταριών. Ένας άλλος λόγος σχετίζεται με τις μεγάλες επενδύσεις που έχουν ήδη γίνει στην προώθηση των μπαταριών λιθίου από τις πιο διαφορετικές οντότητες. Το πιο δημοφιλές παράδειγμα θα είναι το Gigafactory της Tesla.
Με άλλα λόγια, τα επόμενα 10 χρόνια θα πρέπει να συνεχίσουμε να βλέπουμε την εξέλιξη των μπαταριών λιθίου. Η ενεργειακή τους πυκνότητα αναμένεται να αυξηθεί κατά 50% περίπου και το κόστος τους αναμένεται να μειωθεί κατά 50%. Δεν αναμένεται ταχεία στροφή της αυτοκινητοβιομηχανίας προς τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης.
Οι επενδύσεις κατευθύνονται επίσης σε άλλους τύπους μπαταριών, με διαφορετικές χημικές αντιδράσεις, οι οποίες μπορούν να επιτύχουν έως και 20 φορές περισσότερη ενεργειακή πυκνότητα από μια τρέχουσα μπαταρία ιόντων λιθίου. Όχι μόνο είναι ανώτερη από τις τριπλάσιες μπαταρίες που επιτυγχάνουν οι συμπαγείς μπαταρίες, αλλά, σύμφωνα με ορισμένους, θα μπορούσε να φτάσει στην αγορά πριν από αυτές.
Τέλος πάντων, το μελλοντικό σενάριο φαίνεται πολλά υποσχόμενο για το ηλεκτρικό όχημα. Αυτό το είδος προόδου είναι αυτό που θα πρέπει τελικά να επιτρέψει επίπεδα ανταγωνιστικότητας ισοδύναμα με οχήματα με κινητήρες εσωτερικής καύσης. Ακόμα κι έτσι, με όλες αυτές τις προόδους, όπως αυτή η ανακάλυψη της Maria Helena Braga, μπορεί να χρειαστούν άλλα 50 χρόνια για να φτάσουν τα ηλεκτρικά οχήματα σε μερίδιο 70-80% της παγκόσμιας αγοράς.