Οι μπαταρίες λιθίου αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της σύγχρονης τεχνολογίας, τροφοδοτώντας τα πάντα, από τα smartphones μέχρι τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Ανάμεσα στους διάφορους τύπους, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι οι πιο διαδεδομένες λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητάς τους και της μακροχρόνιας διάρκειας ζωής τους. Ωστόσο, η τεχνολογία συνεχώς εξελίσσεται και οι επιστήμονες στρέφονται πλέον σε νέες λύσεις, όπως οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης, για να ξεπεράσουν τους περιορισμούς των σημερινών συστημάτων.
Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης διαφέρουν από τις συμβατικές στο ότι χρησιμοποιούν στερεό ηλεκτρολύτη αντί για υγρό, γεγονός που τις καθιστά πιο ασφαλείς, πιο πυκνές ενεργειακά και πιο ανθεκτικές στη μακροχρόνια χρήση. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις. Ένα από τα βασικά εμπόδια που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές είναι η ανάγκη άσκησης υψηλής πίεσης προκειμένου να διατηρηθεί αποτελεσματική επαφή μεταξύ του μετάλλου λιθίου και του στερεού ηλεκτρολύτη, απαίτηση που περιορίζει την πρακτική εφαρμογή αυτών των μπαταριών σε μαζική κλίμακα.
Το πρόβλημα εντοπίζεται κυρίως στη μορφολογία του λιθίου κατά τη διάρκεια του κύκλου φόρτισης και αποφόρτισης. Το μέταλλο τείνει να αλλάζει σχήμα, δημιουργώντας κενά που διαταράσσουν την επαφή με τον ηλεκτρολύτη, κάτι που σταδιακά υποβαθμίζει τη λειτουργία της μπαταρίας. Η μέχρι τώρα λύση ήταν η χρήση εξωτερικών πιεστικών πλακών για να εξασφαλιστεί σταθερή επαφή, πρακτική που όμως αυξάνει το βάρος και το μέγεθος της μπαταρίας.
Σε αυτή την πρόκληση έρχεται να απαντήσει μια ομάδα ερευνητών από το Georgia Institute of Technology, με επικεφαλής τον Matthew McDowell. Με έμπνευση από τη βιολογική διαδικασία της μορφογένεσης, η ομάδα προχώρησε σε μια τολμηρή και απλή προσθήκη: την ενσωμάτωση ενός μικρού ποσοστού μετάλλου νατρίου – περίπου 20% – στο λίθιο της μπαταρίας.
Το νάτριο, αν και δεν συμμετέχει ενεργά στη διαδικασία παραγωγής ρεύματος, παίζει κρίσιμο ρόλο στην εσωτερική δομή του υλικού. Λόγω της αδυναμίας του να αναμιχθεί πλήρως με το λίθιο, δημιουργεί μικροπεριοχές μέσα στο υλικό, οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερη ελαστικότητα. Οι περιοχές αυτές λειτουργούν σαν «μαλακτικά», βοηθώντας το μέταλλο λιθίου να διατηρήσει καλύτερη επαφή με τον ηλεκτρολύτη ακόμα και χωρίς την άσκηση υψηλής εξωτερικής πίεσης.
Όπως εξηγεί ο ίδιος ο McDowell, η συμβολή του νατρίου μπορεί να φαίνεται αντιφατική, αφού δεν συνεισφέρει άμεσα στην ηλεκτρική λειτουργία. Ωστόσο, η πολύ μαλακή του φύση προσφέρει μια νέα προσέγγιση στη διαχείριση της επαφής των υλικών μέσα στην μπαταρία. Το αποτέλεσμα είναι μια πιο σταθερή, αποδοτική και τελικά ελαφρύτερη μπαταρία στερεάς κατάστασης, κατάλληλη για ευρύτερη εφαρμογή.
[via]
