Η ανακάλυψη της μεταλλικής μπαταρίας λιθίου του Stanford θα μπορούσε να διπλασιάσει την εμβέλεια των ηλεκτρικών οχημάτων

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ ανακάλυψαν ότι το να αφήσουμε τις μπαταρίες μετάλλου λιθίου να ξεκουραστούν σε αποφορτισμένη κατάσταση μπορεί να αποκαταστήσει σημαντικά τη χωρητικότητά τους και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής τους. Αυτή η μέθοδος, η οποία είναι τόσο χαμηλού κόστους όσο και απλή στην εφαρμογή, θα μπορούσε να διπλασιάσει την εμβέλεια των ηλεκτρικών οχημάτων χωρίς να απαιτούνται νέες τεχνικές ή υλικά κατασκευής. Πίστωση: SciTechDaily.com

Η καινοτομία του Stanford στην τεχνολογία μπαταριών μετάλλου λιθίου υπόσχεται να επεκτείνει τις σειρές των EV και τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας μέσω ενός απλού πρωτοκόλλου ηρεμίας, ενισχύοντας την εμπορική βιωσιμότητα.

Τα ηλεκτρικά οχήματα επόμενης γενιάς θα μπορούσαν να λειτουργούν με μπαταρίες μετάλλου λιθίου που διανύουν 500 έως 700 μίλια με μία μόνο φόρτιση, διπλάσια από την εμβέλεια των συμβατικών μπαταριών ιόντων λιθίου στα EV σήμερα.

Ωστόσο, η τεχνολογία μετάλλου λιθίου έχει σοβαρά μειονεκτήματα: Η μπαταρία χάνει γρήγορα την ικανότητά της να αποθηκεύει ενέργεια μετά από σχετικά λίγους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης – πολύ ανέφικτο για οδηγούς που αναμένουν επαναφορτιζόμενα ηλεκτρικά αυτοκίνητα να λειτουργούν για χρόνια.

Οι επιστήμονες δοκιμάζουν μια ποικιλία νέων υλικών και τεχνικών για να βελτιώσουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Τώρα, οι ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ ανακάλυψαν μια λύση χαμηλού κόστους: απλά αδειάστε την μπαταρία και αφήστε την να ξεκουραστεί για αρκετές ώρες. Αυτή η απλή προσέγγιση, που περιγράφεται σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε σήμερα (7 Φεβρουαρίου) στο περιοδικό Φύσηαποκατέστησε τη χωρητικότητα της μπαταρίας και αύξησε τη συνολική απόδοση.

«Ψάχναμε για τον ευκολότερο, φθηνότερο και γρηγορότερο τρόπο για να βελτιώσουμε την ποδηλατική ζωή μετάλλου λιθίου», δήλωσε ο συν-επικεφαλής της μελέτης Wenbo Zhang, φοιτητής διδάκτορα του Στάνφορντ στην επιστήμη και τη μηχανική υλικών. «Ανακαλύψαμε ότι αφήνοντας την μπαταρία σε κατάσταση αποφόρτισης, η χαμένη χωρητικότητα μπορεί να ανακτηθεί και να αυξηθεί η διάρκεια του κύκλου. Αυτές οι βελτιώσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν απλώς με τον επαναπρογραμματισμό του λογισμικού διαχείρισης μπαταρίας, χωρίς πρόσθετο κόστος ή αλλαγές που απαιτούνται για τον εξοπλισμό, τα υλικά ή τη ροή παραγωγής».

Τα αποτελέσματα της μελέτης θα μπορούσαν να δώσουν στους κατασκευαστές EV πρακτικές γνώσεις σχετικά με την προσαρμογή της τεχνολογίας μετάλλου λιθίου στις πραγματικές συνθήκες οδήγησης, δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας Yi Cui, ο καθηγητής της Fortinet Founders of Materials Science and Engineering στη Σχολή Μηχανικών και καθηγητής ενέργειας και μηχανικής. στο Stanford Doerr School of Sustainability.

«Οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου έχουν αποτελέσει αντικείμενο πολλών ερευνών», είπε ο Cui. «Τα ευρήματά μας μπορούν να βοηθήσουν στην καθοδήγηση μελλοντικών μελετών που θα βοηθήσουν στην πρόοδο των μπαταριών μετάλλου λιθίου προς την ευρεία εμπορική προσαρμογή».

Μετάλλου λιθίου έναντι τεχνολογίας ιόντων λιθίου

Μια συμβατική μπαταρία ιόντων λιθίου αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια – μια άνοδο γραφίτη και μια κάθοδο οξειδίου μετάλλου λιθίου – που χωρίζονται από έναν υγρό ή στερεό ηλεκτρολύτη που μεταφέρει ιόντα λιθίου εμπρός και πίσω.

Σε μια μπαταρία λιθίου, η άνοδος γραφίτη αντικαθίσταται με ηλεκτρολυμένο μέταλλο λιθίου, το οποίο της επιτρέπει να αποθηκεύει διπλάσια ενέργεια από μια μπαταρία ιόντων λιθίου στον ίδιο χώρο. Η άνοδος μετάλλου λιθίου ζυγίζει επίσης λιγότερο από την άνοδο γραφίτη, η οποία είναι σημαντική για τα EV. Οι μπαταρίες μετάλλου λιθίου μπορούν να κρατήσουν τουλάχιστον το ένα τρίτο περισσότερη ενέργεια ανά κιλό ως ιόντων λιθίου.

«Ένα αυτοκίνητο εξοπλισμένο με μπαταρία λιθίου θα έχει διπλάσια εμβέλεια από ένα όχημα ιόντων λιθίου ίσου μεγέθους – 600 μίλια ανά φόρτιση έναντι 300 μιλίων, για παράδειγμα», δήλωσε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Philaphon Sayavong, φοιτητής διδάκτορα στη χημεία. «Στα ηλεκτρικά οχήματα, ο στόχος είναι να διατηρείται η μπαταρία όσο το δυνατόν πιο ελαφριά, ενώ παράλληλα επεκτείνεται η αυτονομία του οχήματος».

Ο διπλασιασμός της αυτονομίας θα μπορούσε να εξαλείψει το άγχος της αυτονομίας για τους οδηγούς που διστάζουν να αγοράσουν EV. Δυστυχώς, η συνεχής φόρτιση και εκφόρτιση κάνει τις μπαταρίες μετάλλου λιθίου να υποβαθμίζονται γρήγορα, καθιστώντας τις άχρηστες για συνηθισμένη οδήγηση. Όταν η μπαταρία αποφορτιστεί, κομμάτια μετάλλου λιθίου μεγέθους μικρού απομονώνονται και παγιδεύονται στη μεσόφαση στερεού ηλεκτρολύτη (SEI), μια σπογγώδη μήτρα που σχηματίζεται εκεί όπου συναντώνται η άνοδος και ο ηλεκτρολύτης.

«Η μήτρα SEI είναι ουσιαστικά αποσυντεθειμένος ηλεκτρολύτης», εξήγησε ο Zhang. «Περιβάλλει απομονωμένα κομμάτια μετάλλου λιθίου που έχουν αφαιρεθεί από την άνοδο και τα εμποδίζει να συμμετέχουν σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Για αυτόν τον λόγο, θεωρούμε το απομονωμένο λίθιο νεκρό».

Η επαναλαμβανόμενη φόρτιση και αποφόρτιση έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση επιπλέον νεκρού λιθίου, με αποτέλεσμα η μπαταρία να χάνει γρήγορα τη χωρητικότητά της. «Ένα EV με μπαταρία λιθίου τελευταίας τεχνολογίας θα έχανε εμβέλεια με πολύ ταχύτερο ρυθμό από ένα EV που τροφοδοτείται από μπαταρία ιόντων λιθίου», είπε ο Zhang.

Απαλλαγή και ξεκούραση

Σε προηγούμενη εργασία, ο Sayavong και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι η μήτρα SEI αρχίζει να διαλύεται όταν η μπαταρία είναι σε αδράνεια. Με βάση αυτό το εύρημα, η ομάδα του Στάνφορντ αποφάσισε να δει τι θα συνέβαινε αν η μπαταρία αφεθεί να ξεκουραστεί ενώ ήταν αποφορτισμένη.

«Το πρώτο βήμα ήταν η πλήρης αποφόρτιση της μπαταρίας, ώστε να υπάρχει μηδενικό ρεύμα», είπε ο Zhang. “Η εκφόρτιση αφαιρεί όλο το μεταλλικό λίθιο από την άνοδο, έτσι το μόνο που σας μένει είναι ανενεργά κομμάτια απομονωμένου λιθίου που περιβάλλονται από τη μήτρα SEI.”

Το επόμενο βήμα ήταν να αφήσετε την μπαταρία να παραμείνει σε αδράνεια.

«Διαπιστώσαμε ότι εάν η μπαταρία παραμείνει σε κατάσταση αποφόρτισης για μόλις μία ώρα, μέρος της μήτρας SEI που περιβάλλει το νεκρό λίθιο διαλύεται», είπε ο Sayavong. «Επομένως, όταν επαναφορτίζετε την μπαταρία, το νεκρό λίθιο θα επανασυνδεθεί με την άνοδο, επειδή υπάρχει λιγότερη στερεά μάζα που παρεμποδίζεται».

Η επανασύνδεση με την άνοδο επαναφέρει στη ζωή το νεκρό λίθιο, επιτρέποντας στην μπαταρία να παράγει περισσότερη ενέργεια και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της.

«Προηγουμένως πιστεύαμε ότι αυτή η απώλεια ενέργειας ήταν μη αναστρέψιμη», είπε ο Cui. «Αλλά η μελέτη μας έδειξε ότι μπορούμε να ανακτήσουμε τη χαμένη χωρητικότητα απλά ξεκουράζοντας την αποφορτισμένη μπαταρία».

Χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο βίντεο time-lapse, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν οπτικά την αποσύνθεση του υπολειπόμενου SEI και την επακόλουθη ανάκτηση του νεκρού λιθίου κατά τη φάση ηρεμίας.

Πρακτικές εφαρμογές

Ο μέσος Αμερικανός οδηγός περνάει περίπου μία ώρα πίσω από το τιμόνι κάθε μέρα, επομένως η ιδέα να ξεκουράζετε την μπαταρία του αυτοκινήτου σας για αρκετές ώρες είναι εφικτή.

Ένα τυπικό EV μπορεί να έχει 4.000 μπαταρίες τοποθετημένες σε μονάδες που ελέγχονται από ένα σύστημα διαχείρισης μπαταριών, έναν ηλεκτρονικό εγκέφαλο που παρακολουθεί και ελέγχει την απόδοση της μπαταρίας. Σε μια μπαταρία λιθίου, το υπάρχον σύστημα διαχείρισης μπορεί να προγραμματιστεί ώστε να αποφορτίζει πλήρως μια μεμονωμένη μονάδα, ώστε να έχει μηδενική χωρητικότητα.

Αυτή η προσέγγιση δεν απαιτεί ακριβές, νέες τεχνικές ή υλικά κατασκευής, πρόσθεσε ο Zhang.

«Μπορείτε να εφαρμόσετε το πρωτόκολλό μας τόσο γρήγορα όσο χρειάζεται για να γράψετε τον κωδικό του συστήματος διαχείρισης μπαταρίας», είπε. «Πιστεύουμε ότι σε ορισμένους τύπους μπαταριών μετάλλου λιθίου, η αποφόρτιση από μόνη της μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του κύκλου EV».

Αναφορά: «Ανάκτηση απομονωμένου λιθίου μέσω ημερολογιακής γήρανσης εκκενωμένης κατάστασης» από τους Wenbo Zhang, Philaphon Sayavong, Xin Xiao, Solomon T. Oyakhire, Sanzeeda Baig Shuchi, Rafael A. Vilá, David T. Boyle, Sang Cheol Kim, Mun Sek Kim, Sarah E. Holmes, Yusheng Ye, Donglin Li, Stacey F. Bent και Yi Cui, 7 Φεβρουαρίου 2024, Φύση.
DOI: 10.1038/s41586-023-06992-8

Ο Yi Cui είναι επίσης καθηγητής του

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *