Μια ανακάλυψη που ενδέχεται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε και σχεδιάζουμε τις μπαταρίες έρχεται από το University of Illinois Grainger College of Engineering. Εκεί, ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον καθηγητή Yingjie Zhang κατάφερε να ρίξει φως σε έναν από τους πιο δυσπρόσιτους μικρόκοσμους της ηλεκτροχημείας: τις δυναμικές διεργασίες που συμβαίνουν στα όρια μεταξύ στερεών και υγρών υλικών μέσα σε μια μπαταρία.
Χρησιμοποιώντας την προηγμένη τεχνική της τρισδιάστατης ατομικής μικροσκοπίας δύναμης (3D atomic force microscopy), οι επιστήμονες παρακολούθησαν σε πραγματικό χρόνο τη συμπεριφορά των ηλεκτρικών διπλοστιβάδων (Electrical Double Layers – EDLs), οι οποίες σχηματίζονται εκεί όπου το υγρό ηλεκτρολύτη έρχεται σε επαφή με το στερεό υλικό του ηλεκτροδίου. Πρόκειται για περιοχές πάχους μόλις λίγων νανομέτρων, οι οποίες μέχρι σήμερα θεωρούνταν σχεδόν αόρατες και παρέμεναν εν πολλοίς ανεξερεύνητες.
Η μελέτη, η οποία δημοσιεύτηκε στην έγκριτη επιστημονική επιθεώρηση Proceedings of the National Academy of Sciences, αποκάλυψε ότι οι EDLs δεν είναι στατικές ή ομοιογενείς, όπως συνήθιζαν να τις απεικονίζουν τα θεωρητικά μοντέλα, αλλά διαμορφώνονται, παραμορφώνονται, "σπάνε" και επανασυνδέονται γύρω από ατέλειες και ανωμαλίες στην επιφάνεια του στερεού υλικού. Με άλλα λόγια, η "εσωτερική ζωή" της μπαταρίας είναι πολύ πιο περίπλοκη από ό,τι είχε φανταστεί μέχρι τώρα η επιστήμη.
«Συχνά αντιμετωπίζουμε τις ηλεκτροχημικές κυψέλες, όπως οι μπαταρίες, αποκλειστικά ως τεχνολογικά προϊόντα. Όμως, υπάρχει ακόμη μεγάλος επιστημονικός πλούτος που δεν έχει εξερευνηθεί και που μπορεί να αλλάξει τις εφαρμογές τους στο μέλλον», δήλωσε ο Qian Ai, μεταπτυχιακός φοιτητής στο ερευνητικό εργαστήριο του Zhang και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
Οι μπαταρίες βασίζονται στη δημιουργία ηλεκτρικής τάσης μέσω της διαφοράς φορτίου ανάμεσα σε δύο άκρα, με τους φορείς του φορτίου να κινούνται μέσα σε ένα υγρό ηλεκτρολύτη. Από τις αρχές του 20ού αιώνα είναι γνωστό ότι στη διεπιφάνεια ανάμεσα στο υγρό και στο στερεό σχηματίζονται αυτές οι EDLs, αλλά η μελέτη τους είχε περιοριστεί κυρίως σε εργαστηριακές συνθήκες με απολύτως λεία και ομοιογενή υλικά – μια προσέγγιση που απείχε από την πραγματικότητα των πραγματικών μπαταριών.
Αυτή η απόκλιση είχε ως αποτέλεσμα ένα σημαντικό κενό στη γνώση μας σχετικά με το πώς εξελίσσονται και αποδίδουν οι μπαταρίες στην πράξη. Με την τρισδιάστατη μικροσκοπία ατομικής δύναμης, οι ερευνητές κατάφεραν για πρώτη φορά να καταγράψουν την αλληλεπίδραση των EDLs με μικρές ανωμαλίες στην επιφάνεια του στερεού υλικού – τις λεγόμενες "συστάδες", που σχηματίζονται κατά την αρχική φάση φόρτισης μιας μπαταρίας.
Η μελέτη εντόπισε τρία βασικά μοτίβα συμπεριφοράς: την «κάμψη» των διπλοστιβάδων γύρω από τις συστάδες, τη «θραύση» όπου διαχωρίζονται και σχηματίζουν ενδιάμεσες στρώσεις, και την «επανασύνδεση» με γειτονικές στρώσεις σε διαφορετικά επίπεδα. Όπως σημειώνει ο Ai, τα φαινόμενα αυτά δεν εξαρτώνται τόσο από τη χημική σύνθεση των μορίων όσο από τη γεωμετρία της επιφάνειας. Αυτό σημαίνει ότι η δομή των υγρών μπορεί να προβλεφθεί με βάση τη μορφολογία του στερεού υποστρώματος, ανοίγοντας τον δρόμο για στοχευμένο σχεδιασμό υλικών.
Η ανακάλυψη αυτή έχει ευρύτερες συνέπειες, όχι μόνο για τη θεωρητική κατανόηση των ηλεκτροχημικών διεργασιών αλλά και για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών αποθήκευσης ενέργειας. Αν οι συμπεριφορές των EDLs μπορούν να προβλεφθούν ή και να ελεγχθούν, τότε μπορούμε να σχεδιάσουμε πιο σταθερές, πιο αποδοτικές και μακροβιότερες μπαταρίες.
«Αυτό είναι κάτι πραγματικά ρηξικέλευθο», δήλωσε ο Yingjie Zhang. «Για πρώτη φορά καταφέραμε να απεικονίσουμε τις EDLs μέσα σε πραγματικά, πολύπλοκα ηλεκτροχημικά συστήματα. Είναι κάτι που παλιότερα θεωρούνταν το ιερό δισκοπότηρο της ηλεκτροχημείας. Δεν μιλάμε απλώς για βελτίωση της τεχνολογίας· μιλάμε για επανεγγραφή των κεφαλαίων στα βιβλία της επιστήμης.»
Η έρευνα αυτή αποτελεί ακόμη ένα παράδειγμα του πώς η βασική επιστημονική κατανόηση μπορεί να ανοίξει νέους ορίζοντες στην εφαρμοσμένη τεχνολογία. Και όσο πιο βαθιά εξερευνούμε τα "αόρατα" στρώματα της ύλης, τόσο πιο κοντά έρχεται η επόμενη γενιά ενεργειακών λύσεων.
[via]
