Αυτό που απασχολεί τους ειδικούς δεν είναι μόνο η παραγωγή ενέργειας αλλά πολύ περισσότερο η αποθήκευση της. Τι θα λέγατε για μία σούπερ μπαταρία;
Η ύπαρξη της μπαταρίας είναι πλέον τόσο δεδομένη στην καθημερινότητα μας που την θυμόμαστε μόνο όταν αυτή αδειάσει. Από τα κινητά μας τηλέφωνα μέχρι τους φορητούς υπολογιστές, από τα τηλεχειριστήρια των τηλεοράσεων μέχρι τα παιχνίδια, από τους φακούς μέχρι τα αυτοκίνητα.
Μέχρι πριν από μερικές δεκαετίες οι μπαταρίες στα αυτοκίνητα χρησίμευαν μόνο για την εκκίνηση των κινητήρων τους. Έστω και αν τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα είχαν από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα κοντραριστεί για την επικράτησή τους (ειδικά στη Νέα Υόρκη όπου υπήρχαν αρκετοί σταθμοί φόρτισης). Η μάχη όμως ήταν άνιση καθώς η τεχνολογία των μπαταριών ήταν πολύ πιο πίσω και οι απαιτήσεις σε αξιοπιστία και απόδοση πολύ πιο μεγάλες από ότι σήμερα (Detroit Electric, Electrobat). Στη συνέχεια εμφανίστηκε ένας πρώην υπάλληλος της Detroit Edison, ο Henry Ford, o οποίος άλλαξε τα δεδομένα με το φτηνό ευρείας παραγωγής βενζινοκίνητο Model T…
Αλήθεια, όμως, πόσο έχει προχωρήσει σήμερα η τεχνολογία των μπαταριών; Βάσει των ετών η τεχνολογία των συσσωρευτών έχει εξελιχθεί αρκετά με στόχο την εξέλιξη μιας σούπερ μπαταρίας . Πριν μιλήσουμε για αυτές θα πρέπει να αναφερθούμε στην λειτουργίας μιας απλής μπαταρίας. Βασικά υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια. Ένα αρνητικό (το ανόδιο) και ένα θετικό (το καθόδιο). Ανάμεσα τους παρεμβάλλεται ένα υγρό που ονομάζεται ηλεκτρολύτης. Όταν συνδεθεί ένας καταναλωτής (π.χ. μια λάμπα) στους δύο πόλους η μπαταρία ξεκινά να λειτουργεί και τα ηλεκτρόνια κινούνται από το αρνητικό προς το θετικό ηλεκτρόδιο. Στον δρόμο τους τροφοδοτούν με ρεύμα (ουσιαστικά η ροή ηλεκτρονίων) την λάμπα.
Ανάμεσα στο ανόδιο και στο καθόδιο υπάρχει ένας διαχωριστής. Ο ρόλος του είναι να μην έρχεται σε επαφή το ανόδιο με το καθόδιο. Σε μία μπαταρία λιθίου-μετάλλου, όπως και σε πολλές άλλες, υπάρχει ένας διαχωριστής που δεν είναι τελείως στέρεος αλλά σαν ζελέ. Και αυτό ώστε μέσα στην μπαταρία θετικά φορτισμένα άτομα λιθίου ή ιόντα να ταξιδεύουν μέσα στον ηλεκτρολύτη, να περνούν μέσα από τον διαπερατό διαχωριστή και να φτάνουν στο καθόδιο. Στην διαδικασία επαναφόρτισης τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν μέσα από το κύκλωμα πίσω στο ανόδιο.
Αργότερα ανακαλύφθηκε πως η διαδικασία αυτή στις λιθίου-μετάλλου δημιουργούσε περιττούς δενδρίτες στο ανόδιο που έφταναν σε βάθος χρόνου στο καθόδιο και δημιουργούσαν υπερθέρμανση που μπορούσε να προκαλέσει φωτιά και ανάφλεξη. Αργότερα και στην αρχή της δεκαετίας του 1990 το ανόδιο λιθίου-μετάλλου αντικαταστάθηκε με ένα ηλεκτρόδιο άνθρακα που φιλοξενούσε πολλά ιόντα λιθίου. Τα ιόντα μπορούσαν να ταξιδεύουν και να επαναφορτίζουν την μπαταρία με τον ίδιο τρόπο αλλά δίχως να δημιουργούνται δενδρίτες. Έτσι, οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων ήταν πιο ασφαλείς, ακόμη και αν χωρούσαν μικρότερα ποσά ενέργειας.
Κατά καιρούς θα έχετε ακούσει για εκρήξεις ή αναφλέξεις μπαταριών. Από τα κινητά τηλέφωνα (π.χ. Samsung) μέχρι αυτοκίνητα (π.χ. Tesla). Τα περιστατικά αυτά αφορούν σε μπαταρίες λιθίου που έχουν επικρατήσει σήμερα. Το λίθιο έχει την ιδιότητα να αποθηκεύει πολύ ηλεκτρική ενέργεια σε μικρές ποσότητες ως υλικό. Ως στοιχείο έχει χαμηλό ατομικό βάρος, κάτι που σημαίνει πως αν και μέταλλο είναι τόσο ελαφρύ που επιπλέει στο νερό. Επίσης συγκαταλέγεται στα αλκαλικά μέταλλα, κάτι που σημαίνει πως αποδίδει πολύ εύκολα ένα ηλεκτρόνιο ως ανόδιο σε μία μπαταρία.
Ίσως να έχετε δει στο YouTube βίντεο που δείχνουν π.χ. μπαταρίες λιθίου από κινητά ή παιχνίδια να αναφλέγονται μετά από χτύπημα με σφυρί ή τρύπημα με καρφιά. Στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων βρίσκονται μέσα σε πλαίσια από αλουμίνιο υπερυψηλής αντοχής για να προστατεύονται σε περίπτωση ατυχήματος ή σύγκρουσης. Διότι το πρόβλημα της επαφής με τα ηλεκτρόδια παραμένει και σε τυχόν επαφή τους (όπως με τους δενδρίτες) ένα βραχυκύκλωμα μπορεί να επιφέρει από ανάφλεξη μέχρι και έκρηξη. Το φαινόμενο ονομάζεται θερμική διαφυγή που προέρχεται από την μαζική εκφόρτιση των ηλεκτρονίων και την πρόκληση απότομης θερμότητας. Η οποία εξαερώνει τον ηλεκτρολύτη που αναφλέγεται.
Όπως έχουμε γράψει κατά καιρούς οι μπαταρίες λιθίου έχουν και το πλεονέκτημα πως μπορούν να κατασκευαστούν σε κλασικό κυλινδρικό σχήμα, σε πρισματικά σχήματα ή σε πλάκες. Ουσιαστικά μια μπαταρία λιθίου είναι ένα σάντουιτς φύλλων π.χ. από τον διαχωριστή, το καθόδιο από χαλκό και γραφίτη, από πάλι έναν διαχωριστή και από το ανόδιο λιθίου, νικελίου, μαγγανίου, κοβάλτιου. Όλο αυτό το σάντουιτς είναι εμποτισμένο στο υγρό ηλεκτρολύτη.
Η μεγαλύτερη πρόκληση για τους ειδικούς είναι η ενεργειακή πυκνότητα. Με απλά λόγια πως να χωρέσει διπλάσια ή τριπλάσια ηλεκτρική ενέργεια στον ίδιο όγκο. Αυτή θα μπορούσε να είναι μία σούπερ μπαταρία όπως οι πολλά υποσχόμενες στερεού τύπου (solid state) όπου ο ηλεκτρολύτης δεν είναι υγρός αλλά στέρεος συμπαγής ως υλικό και μάλιστα αντιπυρικό. Εδώ ακόμη και αν τρυπήσει, κοπεί ή χτυπηθεί η μπαταρία δεν πρόκειται να αναφλεχθεί. Ωστόσο, υπάρχουν άλλα θέματα που υπάρχουν για να οδηγήσουν στην μαζική παραγωγή (ένα είναι και το κόστος και το άλλο η αξιοπιστία). Πάντως, στα επόμενα χρόνια οι μπαταρίες θα βελτιωθούν αλλά όχι τόσο ώστε να μιλάμε για μία σούπερ μπαταρία. Χαρακτηριστικό είναι το διπλανό σχεδιάγραμμά από μία παρουσίαση για την πλατφόρμα MEB της VW όπου τοποθετεί την solid state μπαταρία για το 2030.
Για περισσότερα επί του θέματος μπορείτε να δείτε τα παρακάτω σχετικά άρθρα καθώς και το βίντεο «Searching for the Super Battery» χάρη στο οποίο ανέπτυξα το εν λόγω άρθρο ελπίζοντας να απαντήσει σε κάποιες απορίες.
Ποια η διαφορά kW και kWh;
Στα απόκρυφα μιας μπαταρίας!
Προσοχή, λεξικό υψηλής τάσης!
Ποια θα είναι η πρόοδος των μπαταριών;
Γιατί η ισχύς μετριέται σε ίππους και όχι σε kW;
