Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης θεωρούνται το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας, προσφέροντας μεγαλύτερη ασφάλεια και ισχύ για ηλεκτρικά οχήματα, ηλεκτρονικές συσκευές και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ωστόσο, το βασικό τους συστατικό, το λίθιο, παραμένει ακριβό και σπάνιο, ενώ η εξόρυξή του προκαλεί σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Το νάτριο προβάλλει ως μια πολύ πιο οικονομική και άφθονη εναλλακτική, με σαφώς μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Παρ’ όλα αυτά, οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης που βασίζονται στο νάτριο δεν έχουν καταφέρει μέχρι σήμερα να φτάσουν την απόδοση του λιθίου σε συνήθεις θερμοκρασίες.
“Δεν πρόκειται για αντιπαράθεση νατρίου και λιθίου. Τα χρειαζόμαστε και τα δύο. Όταν σκεφτόμαστε τις λύσεις αποθήκευσης ενέργειας του αύριο, πρέπει να φανταζόμαστε ένα εργοστάσιο που μπορεί να παράγει προϊόντα και με τις δύο τεχνολογίες,” δήλωσε η Y. Shirley Meng, καθηγήτρια Μοριακής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο (UChicago PME). “Η νέα αυτή έρευνα μας φέρνει πιο κοντά σε αυτόν τον στόχο, προωθώντας παράλληλα τη βασική επιστήμη.”
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Joule, η ομάδα της Meng έκανε ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυση του προβλήματος. Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μπαταρία στερεάς κατάστασης με βάση το νάτριο, η οποία λειτουργεί αξιόπιστα από τη θερμοκρασία δωματίου έως και κάτω από το μηδέν, θέτοντας νέο σημείο αναφοράς για τον κλάδο.
Σύμφωνα με τον Sam Oh, πρώτο συγγραφέα της μελέτης από το Ινστιτούτο Έρευνας και Μηχανικής Υλικών A*STAR στη Σιγκαπούρη, τα αποτελέσματα φέρνουν την τεχνολογία νατρίου πιο κοντά στο να ανταγωνιστεί το λίθιο ως προς την ηλεκτροχημική της απόδοση.
Η επιτυχία αυτή συνιστά επίσης θεμελιώδη πρόοδο στην επιστήμη των υλικών. “Το επίτευγμα είναι ότι σταθεροποιούμε μια μετασταθή δομή που δεν είχε αναφερθεί μέχρι σήμερα,” εξήγησε ο Oh. “Η συγκεκριμένη δομή του sodium hydridoborate διαθέτει πολύ υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, τουλάχιστον δέκα φορές υψηλότερη από ό,τι είχε καταγραφεί στη βιβλιογραφία.”
Καθιερωμένη τεχνική, νέα εφαρμογή
Για τη δημιουργία της νέας δομής, οι ερευνητές θέρμαναν μια μετασταθή μορφή του sodium hydridoborate μέχρι να αρχίσει να κρυσταλλώνεται και στη συνέχεια την ψύξανε γρήγορα για να «παγιδεύσουν» τη δομή. Αν και η μέθοδος αυτή είναι γνωστή σε άλλους τομείς της επιστήμης υλικών, δεν είχε χρησιμοποιηθεί έως τώρα για στερεούς ηλεκτρολύτες.
Η πρακτική αυτή εμπειρία μπορεί να διευκολύνει τη μετάβαση από την εργαστηριακή έρευνα στη βιομηχανική παραγωγή. “Εφόσον η τεχνική είναι ήδη καθιερωμένη, μπορούμε ευκολότερα να την κλιμακώσουμε στο μέλλον,” σημείωσε ο Oh. “Αν απαιτούνται νέες διαδικασίες, η βιομηχανία είναι συνήθως πιο διστακτική να τις υιοθετήσει.”
Νέος σχεδιασμός, υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα
Ο συνδυασμός αυτής της μετασταθούς φάσης με καθόδιο τύπου O3, επικαλυμμένο με ηλεκτρολύτη βάσης χλωριδίου, επιτρέπει τη δημιουργία παχύτερων καθοδίων υψηλής φόρτισης, ξεπερνώντας προηγούμενα σχέδια μπαταριών νατρίου. Σε αντίθεση με τις λεπτές καθόδιες, οι παχύτερες περιέχουν λιγότερα ανενεργά υλικά και περισσότερο ενεργό «πυρήνα».
“Όσο πιο παχύ είναι το καθόδιο, τόσο αυξάνεται η θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα της μπαταρίας,” πρόσθεσε ο Oh. Η έρευνα αυτή ενισχύει τη θέση του νατρίου ως βιώσιμης εναλλακτικής στο λίθιο, συμβάλλοντας στη μείωση της εξάρτησης από σπάνιους και ρυπογόνους πόρους.
“Ο δρόμος είναι ακόμη μακρύς, αλλά η δουλειά μας ανοίγει νέες προοπτικές για το μέλλον,” κατέληξε ο Oh.
