Κάθε τόσο, η νέα τεχνολογία φαίνεται να εμφανίζεται αυθόρμητα για να αλλάξει τον κόσμο μας. Ο δυναμίτης, η πενικιλίνη, τα μηχανήματα των ακτίνων Χ, ακόμη και τα μικροκύματα είναι όλα παραδείγματα τέτοιων νέων τυχαίων ανακαλύψεων.
Λοιπόν, φέτος μπορεί να είχαμε άλλη μια. Ωστόσο, αυτή τη φορά δεν πρόκειται μόνο να φέρει την επανάσταση στον τρόπο που ζούμε, αλλά μπορεί να σώσει τον πλανήτη μας από την επικείμενη κλιματική αλλαγή: οι μπαταρίες λιθίου-θείου.
Για δεκαετίες, αναζητούμε την καλύτερη τεχνολογία για να τροφοδοτήσουμε τον σύγχρονο τρόπο ζωής μας και να ενεργοποιήσουμε κάθε νέα τεχνολογία, όπως τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Από τις αρχές της δεκαετίας του ’90, η τεχνολογία μπαταριών ήταν η ιόντων λιθίου.
Τροφοδοτούν τα πάντα, από τηλέφωνα και τα Tesla μέχρι εφεδρικές εγκαταστάσεις ενεργειακού δικτύου, ακόμη και δορυφόρους. Όμως, παρά το γεγονός ότι μας πήγαν αισίως στον 21ο αιώνα, έχουν κάποια σοβαρά μειονεκτήματα.
Πρώτον, τα υλικά που χρειάζονται για την κατασκευή τους, όπως το κοβάλτιο, είναι συνήθως πολύ επιβλαβή για το περιβάλλον. Καταστρέφουν τεράστια οικοσυστήματα με τοξικές χημικές ουσίες.
Μετά υπάρχει το πρόβλημα του κύκλου ζωής. Απαιτούμε ταχύτερους χρόνους φόρτισης στις συσκευές μας. Αυτό ισχύει για τα πάντα, από τα τηλέφωνα μέχρι τα αυτοκίνητα. Όμως, όπως θα σας πει οποιοσδήποτε διαθέτει smartphone, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χάνουν πολύ γρήγορα την χωρητικότητά τους εάν τις φορτίζετε επανειλημμένα.
Η υποβάθμιση της μπαταρίας είναι ένα πολύ σοβαρό πρόβλημα, ιδιαίτερα για τον κόσμο των EV. Τα μεταχειρισμένα EV μπορεί μερικές φορές να είναι άχρηστα εάν τελειώσει η μπαταρία, κάτι που θα κοστίσει μια μικρή περιουσία για την αντικατάστασή της. Συνολικά, αυτό επιβραδύνει την υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων. Βέβαια αλλαγή μπαταρίας σημαίνει και ηλεκτρονικά απόβλητα, τα οποία είναι ήδη ένα σημαντικό πρόβλημα.
Υπάρχει επίσης το πρόβλημα της πυκνότητας. Τα πακέτα ιόντων λιθίου είναι σχετικά ενεργειακά πυκνά, αλλά εξακολουθούν να είναι πολύ βαριά, μεγάλα και ογκώδη. Αυτό περιορίζει την εμβέλεια των ηλεκτρικών αυτοκινήτων επειδή οι μπαταρίες είναι τόσο βαριές. Αυτό καθιστά την χρήση των μπαταριών αδύνατη για ορισμένες εφαρμογές, όπως τα εμπορικά ηλεκτρικά αεροπλάνα.
Υπάρχει ακόμη και το πρόβλημα της πυρκαγιάς με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς μια κατεστραμμένη κυψέλη μπορεί να προκαλέσει φωτιά που σβήνει πολύ δύσκολα.
Αυτοί είναι οι λόγοι για τους οποίους επιστήμονες στο Drexel αναζητούν ένα νέο τύπο μπαταρίας.
Οι μπαταρίες λιθίου-θείου φαίνεται να λύνουν όλα τα προβλήματα του ιόντος λιθίου. Χρησιμοποιούν πολύ λιγότερο οικολογικά επιβλαβή υλικά, μπορούν να έχουν φθηνότερη παραγωγή, μπορούν να είναι έως και τρεις φορές πιο πυκνές σε ενέργεια (κάτι που σημαίνει ελαφρύτερες μπαταρίες) και είναι πολύ λιγότερο πιθανό να πιάσουν φωτιά. Όλα αυτά χωρίς απώλειες στις ταχύτητες φόρτισης.
Λοιπόν, ποιο είναι το πρόβλημα; Γιατί δεν τις έχουμε ήδη;
Έχουν ένα τεράστιο πρόβλημα. Ενώ μια μπαταρία ιόντων λιθίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για περίπου 2000 κύκλους φόρτισης, οι μπαταρίες θείου λιθίου περιορίζεται συνήθως στους μισούς. Έτσι, μετά από ένα ή δύο χρόνια σωστής χρήσης, μια μπαταρία λιθίου-θείου σταματάει να λειτουργεί.
Για να το λύσει αυτό, η ομάδα του Drexel δοκίμαζε νέες προσεγγίσεις, αλλάζοντας τις ενώσεις στην κάθοδο της μπαταρίας.
Στόχος τους ήταν να επιβραδύνουν τη χημική αντίδραση που δημιουργεί πολυσουλφίδια όταν η μπαταρία φορτίζεται και εκφορτίζεται. Αυτοί οι κρύσταλλοι αφαιρούν το θείο από το ηλεκτρόδιο και τελικά προκαλούν τεράστια απώλεια χωρητικότητας. Η επιβράδυνσή της θα μπορούσε να κάνει αυτές τις πολύ ενεργειακά πυκνές μπαταρίες να διαρκούν περισσότερο.
Αυτό που βρήκαν ήταν κάτι το απίστευτο: μια χημική φάση θείου που ουσιαστικά σταματά την υποβάθμιση της μπαταρίας! Ήταν τόσο σοκαρισμένοι από αυτή την ανακάλυψη που χρειάστηκε να την ελέγξουν 100 φορές για να βεβαιωθούν.
Αυτή η χημική φάση είναι γνωστή και ως μονοκλινική γάμμα-φάση θείου, αλλά είχε παρατηρηθεί μόνο στο εργαστήριο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες — άνω των 95°C. Αυτή ήταν η πρώτη φορά που παρατηρήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου.
Σε αυτή η φάση η μπαταρία σταματά εντελώς την αντίδραση που δημιουργεί πολυσουλφίδια. Αυτό ήταν τόσο αποτελεσματικό που οι επιστήμονες κατάφεραν να πραγματοποιήσουν 4.000 κύκλους φόρτισης χωρίς πτώση της χωρητικότητας, κάτι που σημαίνει ότι διαρκεί τουλάχιστον δύο φορές περισσότερο από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι η μπαταρία τους ήταν τρεις φορές πιο πυκνή σε ενέργεια από τις ιόντων λιθίου και μπορούσε να φορτίσει εξίσου γρήγορα!
Όπως συμβαίνει με τις περισσότερες τυχαίες ανακαλύψεις, οι επιστήμονες δεν έχουν καταλάβει ακόμη τι συμβαίνει στην πραγματικότητα. Δεν ξέρουν ακόμα γιατί δημιουργείται αυτή η φάση του θείου ή πώς μπορούν να διασφαλίσουν ότι θα παραμείνει έτσι. Χρειάζεται λοιπόν περαιτέρω έρευνα για να απαντηθούν αυτά τα ερωτήματα προκειμένου να αναπτυχθεί μια αξιόπιστη μπαταρία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε δισεκατομμύρια υπολογιστές, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και άλλα.
Η αναμονή θα αξίζει καθώς αυτές οι μπαταρίες θα ζυγίζουν το ένα τρίτο των αντίστοιχων μπαταριών ιόντων λιθίου και θα έχουν διπλάσια διάρκεια ζωής!
Το λίθιο, το θείο και τα άλλα υλικά που χρειάζονται για αυτή τη νέα μπαταρία είναι άφθονα σε όλη τη Γη. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε δραστικά τον οικολογικό αντίκτυπο της εξόρυξης, καθώς και να διασφαλίσουμε μια ισχυρότερη αλυσίδα εφοδιασμού.
Ωστόσο η ομάδα του Drexel ήδη εξετάζει τη χρήση αυτής της σημαντικής ανακάλυψης για την κατασκευή μπαταριών νατρίου-θείου. Καταργώντας την ανάγκη για λίθιο, θα μπορούν να κάνουν τις μπαταρίες ακόμα πιο φιλικές προς το περιβάλλον και να εξαλείψουν μια τεράστια συμφόρηση από την εφοδιαστική αλυσίδα, διασφαλίζοντας ότι η υιοθέτηση των EV μπορεί να συνεχιστεί με τις ιλιγγιώδεις ταχύτητες που σχεδιάζουν οι αυτοκινητοβιομηχανίες.
Αυτή η τυχαία ανακάλυψη από το Drexel θα φέρει την επανάσταση στη χρήση της ενέργειας στον κόσμο και θα βοηθήσει την ανθρωπότητα να μεταβεί προς μια καθαρότερη, ουδέτερη από τον άνθρακα κοινωνία. Ας ελπίσουμε ότι η ομάδα της Drexel θα μπορέσει να φέρει αυτήν την τεχνολογία από το εργαστήριο στα χέρια μας σύντομα.
