Ερευνητές με επικεφαλή τον καθηγητή KANG Kisuk του Κέντρου Έρευνας Νανοσωματιδίων του Ινστιτούτου Βασικών Επιστημών (IBS), ανακοίνωσαν μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα των μπαταριών στερεάς κατάστασης νέας γενιάς. Πιστεύεται ότι τα νέα τους ευρήματα θα επιτρέψουν τη δημιουργία μπαταριών που βασίζονται σε έναν νέο στερεό ηλεκτρολύτη με βάση το χλώριο, ο οποίος παρουσιάζει εξαιρετική ιοντική αγωγιμότητα.

Μια πιεστική ανησυχία με τις σημερινές εμπορικές μπαταρίες είναι η εξάρτησή τους από υγρούς ηλεκτρολύτες, η οποία οδηγεί σε κινδύνους ανάφλεξης και έκρηξης. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη μη εύφλεκτων στερεών ηλεκτρολυτών είναι υψίστης σημασίας για την πρόοδο της τεχνολογίας μπαταριών στερεάς κατάστασης. Καθώς ο κόσμος ετοιμάζεται να μειώσει τα οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης και να επεκτείνει τη χρήση ηλεκτρικών οχημάτων στο πλαίσιο της συνεχιζόμενης παγκόσμιας στροφής προς την βιώσιμη ενέργεια, η έρευνα για τα βασικά συστατικά των δευτερογενών μπαταριών, ιδίως των μπαταριών στερεάς κατάστασης, έχει αποκτήσει σημαντική δυναμική.

Για να γίνουν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης πρακτικές για καθημερινή χρήση, είναι ζωτικής σημασίας η ανάπτυξη υλικών με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, ισχυρή χημική και ηλεκτροχημική σταθερότητα και μηχανική ευελιξία. Ενώ η προηγούμενη έρευνα οδήγησε με επιτυχία σε στερεούς ηλεκτρολύτες με βάση σουλφίδια και οξείδια με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, κανένα από αυτά τα υλικά δεν πληρούσε πλήρως όλες αυτές τις βασικές απαιτήσεις.

Στο παρελθόν, οι επιστήμονες διερεύνησαν επίσης στερεούς ηλεκτρολύτες με βάση τα χλωριόντα, οι οποίοι είναι γνωστοί για την ανώτερη ιοντική αγωγιμότητα, τη μηχανική ευελιξία και τη σταθερότητά τους σε υψηλές τάσεις. Αυτές οι ιδιότητες οδήγησαν ορισμένους να υποθέσουν ότι οι μπαταρίες με βάση τα χλωριόντα είναι οι πιο πιθανοί υποψήφιοι για μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Ωστόσο, οι ελπίδες αυτές εξανεμίστηκαν γρήγορα, καθώς οι μπαταρίες χλωριόντων θεωρήθηκαν ανεφάρμοστες λόγω της μεγάλης εξάρτησής τους από ακριβά μέταλλα, συμπεριλαμβανομένων των στοιχείων υττρίου, σκάνδιου και λανθανιδίων, ως δευτερεύοντα συστατικά.

Για να αντιμετωπιστούν αυτές οι ανησυχίες, η ερευνητική ομάδα του IBS εξέτασε την κατανομή των ιόντων μετάλλων στους ηλεκτρολύτες χλωριόντων. Πίστευαν ότι ο λόγος για τον οποίο οι τριγωνικοί ηλεκτρολύτες χλωριδίου μπορούν να επιτύχουν χαμηλή ιοντική αγωγιμότητα βασίζεται στη διαφοροποίηση της διάταξης των ιόντων μετάλλων εντός της δομής.

Δοκίμασαν αρχικά αυτή τη θεωρία στο χλωριούχο ύττριο του λιθίου, μια κοινή ένωση χλωριούχου μετάλλου λιθίου. Όταν τα μεταλλικά ιόντα ήταν τοποθετημένα κοντά στην πορεία των ιόντων λιθίου, οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις προκαλούσαν παρεμπόδιση στην κίνησή τους. Αντίθετα, εάν η πληρότητα των μεταλλικών ιόντων ήταν πολύ χαμηλή, η διαδρομή για τα ιόντα λιθίου γινόταν πολύ στενή, παρεμποδίζοντας την κινητικότητά τους.

Βασιζόμενη σε αυτές τις γνώσεις, η ερευνητική ομάδα εισήγαγε στρατηγικές για το σχεδιασμό ηλεκτρολυτών με τρόπο που να μετριάζει αυτούς τους αντικρουόμενους παράγοντες, οδηγώντας τελικά στην επιτυχή ανάπτυξη ενός στερεού ηλεκτρολύτη με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα. Η ομάδα προχώρησε περαιτέρω στην επιτυχή επίδειξη αυτής της στρατηγικής δημιουργώντας μια μπαταρία στερεάς κατάστασης μετάλλων λιθίου-χλωριδίου με βάση το ζιρκόνιο, η οποία είναι πολύ φθηνότερη από τις παραλλαγές που χρησιμοποιούν σπάνια μέταλλα. Αυτή ήταν η πρώτη περίπτωση όπου καταδείχθηκε η σημασία της διάταξης των ιόντων μετάλλων στην ιοντική αγωγιμότητα ενός υλικού.

Η έρευνα αυτή φέρνει στο φως τον συχνά παραγνωρισμένο ρόλο της κατανομής των μεταλλικών ιόντων στην ιοντική αγωγιμότητα των στερεών ηλεκτρολυτών με βάση τα χλωριόντα. Αναμένεται ότι η έρευνα του Κέντρου IBS θα ανοίξει το δρόμο για την ανάπτυξη διαφόρων στερεών ηλεκτρολυτών με βάση τα χλωριόντα και θα προωθήσει περαιτέρω την εμπορευματοποίηση των μπαταριών στερεάς κατάστασης, υποσχόμενη βελτιωμένη οικονομική προσιτότητα και ασφάλεια στην αποθήκευση ενέργειας.

Ο αντίστοιχος συγγραφέας KANG Kisuk δηλώνει: “Αυτός ο νεοανακαλυφθείς στερεός ηλεκτρολύτης με βάση το χλώριο είναι έτοιμος να υπερβεί τους περιορισμούς των συμβατικών στερεών ηλεκτρολυτών με βάση το σουλφίδιο και το οξείδιο, φέρνοντάς μας ένα βήμα πιο κοντά στην ευρεία υιοθέτηση των μπαταριών στερεάς κατάστασης”.

Παραπομπές:

Seungju Yu, Joohyeon Noh, Byunghoon Kim, Jun-Hyuk Song, Kyungbae Oh, Jaekyun Yoo, Sunyoung Lee, Sung-O Park, Wonju Kim, Byungwook Kang, Donghyun Kil, Kisuk Kang. Design of a trigonal halide superionic conductor by regulating cation order-disorder. Science, 2023; 382 (6670): 573 DOI: 10.1126/science.adg6591