Με επικεφαλής τον Hailong Chen, αναπληρωτή καθηγητή στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών George W. Woodruff του Georgia Tech, η ομάδα διαπίστωσε ότι η γρήγορη φόρτιση δεν προκαλούσε τη συνήθη υποβάθμιση που παρατηρείται στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αντίθετα, βελτίωσε την απόδοση των μπαταριών ιόντων ψευδαργύρου. Αυτό το εκπληκτικό εύρημα, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Nature Communications , θα μπορούσε να ανατρέψει τον τρόπο που σκεφτόμαστε για την τροφοδοσία των πάντων, από τα σπίτια μέχρι τα νοσοκομεία και το δίκτυο.
Γιατί ψευδάργυρος και όχι λίθιο;
Οι μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου βρίσκονται στο επίκεντρο των επιστημόνων εδώ και καιρό. Ο ψευδάργυρος είναι φθηνότερος, ασφαλέστερος και πιο άφθονος από το λίθιο, αλλά ένα σημαντικό ελάττωμα έχει περιορίσει τις μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου: οι δενδρίτες.
Αυτές οι μεταλλικές αιχμές που μοιάζουν με βελόνες σχηματίζονται κατά τη φόρτιση και μπορούν να βραχυκυκλώσουν μια μπαταρία, κάτι που δεν θέλετε σε ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας.
Αλλά η ομάδα του Chen βρήκε το αντίθετο από αυτό που θα περίμενε κανείς. «Διαπιστώσαμε ότι η χρήση ταχύτερης φόρτισης στην πραγματικότητα κατέστειλε τον σχηματισμό δενδριτών αντί να τον επιταχύνει», εξήγησε ο Chen.
Αντί για αιχμηρές, θρυμματισμένες βλαστούς, ο ψευδάργυρος στοιβάζεται σε λεία, πυκνά στρώματα σαν στοιβαγμένα βιβλία. Αυτή η καθαρή δομή όχι μόνο αποτρέπει τα επικίνδυνα βραχυκυκλώματα, αλλά και κάνει την μπαταρία να διαρκεί περισσότερο.
«Αυτό αντιβαίνει στην παραδοσιακή αντίληψη ότι η γρήγορη φόρτιση μειώνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας», δήλωσε ο Chen. «Αυτό που ανακαλύψαμε διευρύνει την κατανόηση των ανθρώπων για τη γρήγορη φόρτιση, κάτι που θα μπορούσε να επαναπροσδιορίσει τον τρόπο που σκεφτόμαστε για τον σχεδιασμό των μπαταριών και πού μπορούν να χρησιμοποιηθούν».
Η άνοδος ψευδαργύρου – το ένα άκρο της μπαταρίας – βρίσκεται πλέον σε άριστη κατάσταση χάρη σε αυτήν την ανακάλυψη. Αλλά το άλλο μισό, η κάθοδος, χρειάζεται ακόμη βελτίωση για να ταιριάζει με την απόδοση και τη μακροζωία της ανόδου.
Η ομάδα του Chen εργάζεται πάνω σε αυτό και πειραματίζονται επίσης με μείγματα ψευδαργύρου για να κάνουν ολόκληρη την μπαταρία πιο ανθεκτική.
Μελλοντικές δυνατότητες
Για να κάνει αυτή την ανακάλυψη, η ομάδα του Chen κατασκεύασε ένα προσαρμοσμένο εργαλείο που τους επέτρεπε να παρακολουθούν πώς συμπεριφέρεται ο ψευδάργυρος σε πραγματικό χρόνο υπό διαφορετικές ταχύτητες φόρτισης σε ένα τεράστιο εύρος δειγμάτων ταυτόχρονα.
Αυτού του είδους η παράλληλη θεώρηση είναι σπάνια στην έρευνα για τις μπαταρίες. Συνήθως, οι επιστήμονες δοκιμάζουν μία μεταβλητή κάθε φορά, γεγονός που επιβραδύνει την πρόοδο. Αλλά αυτή η προσέγγιση τους επέτρεψε να επιταχύνουν την κατανόηση των στοιχείων και να δουν μοτίβα που κανονικά θα παραβλέπονταν.
«Δεν βλέπαμε απλώς αν η μπαταρία λειτουργούσε ή όχι», είπε ο Τσεν. «Παρακολουθούσαμε την εξέλιξη της δομής του υλικού καθώς φορτιζόταν». Και αυτή η παρατήρηση σε πραγματικό χρόνο τους βοήθησε να καταλάβουν γιατί η γρήγορη φόρτιση αποτρέπει τους δενδρίτες στις μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου - κάτι που κανείς δεν είχε χαρτογραφήσει ποτέ στο εργαστήριο πριν.
Τι θα μπορούσε να σημαίνει αυτό για το δίκτυο
Δεν πρόκειται για το να φορτίσεις το τηλέφωνό σου σε πέντε λεπτά. Η ομάδα του Chen σκέφτεται ευρύτερα.
«Μπορείτε να φανταστείτε αυτές τις μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου να χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ηλιακής ενέργειας σε σπίτια ή για τη σταθεροποίηση του δικτύου», είπε ο Chen. «Οπουδήποτε χρειάζεστε αξιόπιστη, οικονομικά προσιτή εφεδρική ισχύ».
Με τις τιμές του λιθίου να κυμαίνονται και τις αλυσίδες εφοδιασμού να βρίσκονται υπό πίεση, εναλλακτικές λύσεις όπως ο ψευδάργυρος γίνονται όλο και πιο ελκυστικές. Αν όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο, ο Chen λέει ότι οι μπαταρίες ιόντων ψευδαργύρου θα μπορούσαν να είναι έτοιμες για εμπορική χρήση εντός πέντε ετών.