Η βασική τεχνολογία που εμποδίζει την ανάπτυξη της τεχνολογίας είναι οι μπαταρίες και η περιορισμένη χωρητικότητά τους. Η μπαταρίες ιόντων λιθίου ιδιαίτερα, είναι μαζί μας από τη δεκαετία του 1960 και δεν έχει αλλάξει ουσιαστικά από τότε.
Με τις μπαταρίες πυριτίου-άνθρακα έχει γίνει ένα τεράστιο βήμα, που έχει διπλασιάσει την χωρητικότητα των μπαταριών μας. Όμως τόσο οι φορητές συσκευές, όσο και τα ηλεκτρικά οχήματα, χρειάζονται ακόμα μεγαλύτερες μπαταρίες και η μηχανικοί αναζητούν νέα υλικά που θα έχουν πολύ μεγαλύτερη απόδοση. Από ότι φαίνεται, η επιστήμη υλικών βρίσκεται σε καλό δρόμο για τις συσκευές που φέρουν μπαταρία.
Πρόσφατα είχαμε την μπαταρία στερεάς κατάστασης από τη Donut, όμως υπάρχουν και νέες εναλλακτικές στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Τώρα έχουμε τις μπαταρίες ιόντων ασβεστίου, που έχουν φτάσε σε εάν σημαντικό ορόσημο.
Τί είναι όμως μια μπαταρία και πως λειτουργεί;
Με λίγα λόγια, μια μπαταρία είναι μια συσκευή που αποθηκεύει ενέργεια μέσω της ηλεκτροχημίας. Αποτελείται από μια άνοδο, μια κάθοδο και έναν ηλεκτρολύτη. Πρακτικά, η κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων (ηλεκτρονίων και ιόντων) από την άνοδο στην κάθοδο, είναι αυτή που μας προσφέρει την ηλεκτρική ενέργεια που χρειαζόμαστε για να τροφοδοτήσουμε τις συσκευές μας.
Έτσι, όταν ένα εξωτερικό φορτίο συνδέεται στην μπαταρία, όπως το τηλέφωνό μας, τα αποθηκευμένα σωματίδια αρχίζουν να ρέουν από την άνοδο μέσα στα ηλεκτρονικά του τηλεφώνου και πίσω στην κάθοδο της μπαταρίας. Αυτή η ροή ηλεκτρονίων, τροφοδοτεί τη συσκευή μας με ενέργεια, ώστε να λειτουργήσει.
Μέχρι τώρα χρησιμοποιούσαμε λίθιο στα ηλεκτρολυτικά και καθοδικά μέρη των μπαταριών, όπως κάνουμε εδώ και δεκαετίες. Παρά τα πλεονεκτήματα του λιθίου, η εν λόγω απαρχαιωμένη τεχνολογία έρχεται με ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα. Μπορεί οι μπαταρίες λιθίου να παρέχουν καλή ενεργειακή πυκνότητα, σχετικά γρήγορη φόρτιση και αξιοπρεπή μακροζωία, πλέον έχουν μείνει δραματικά πίσω από τις μπαταρίες καθόδου άνθρακα πυριτίου και πλέον μας κρατάνε πίσω.
Όμως, το λίθιο αντιδρά πολύ βίαια με τον αέρα, κάτι που κάνει αυτές τις μπαταρίες επικίνδυνες για έκρηξη αν υποστούν ζημιά. Εάν το περίβλημα της μπαταρίας τρυπήσει και περάσει αέρας μέσα, θα αναφλεγεί και ενδέχεται να εκραγεί. Το έχουμε δει πολλές φορές να συμβαίνει τόσο σε κινητά, όσο και σε αυτοκίνητα.
Παράλληλα, οι μπαταρίες λιθίου περιορίζονται και από τις θερμοκρασίες για την σωστή λειτουργία τους και είμαστε πολύ κοντά στο να φτάσουμε στο θεωρητικό όριο της ενεργειακής πυκνότητάς τους.
Μέχρι και σήμερα, οι εταιρείες έχουν εφεύρει κάποια κόλπα για να αυξήσουν την χωρητικότητα των μπαταριών, όπως τον εμποτισμό των ανόδων με πυρίτιο, όμως αυτό δεν αλλάζει πως οι μπαταρίες λιθίου έχουν τα όριά τους και πλέον δυσκολεύονται να καλύψουν τις απαιτήσεις μας. Ταυτόχρονα, το λίθιο είναι πολύ σπάνιο σαν υλικό και μολύνει αρκετά το περιβάλλον, ενώ δημιουργεί γεωπολιτικά ζητήματα
Τώρα όμως η επανάσταση ίσως έρχεται από τις μπαταρίες ασβεστίου. Πρόκειται για μπαταρίες που αποτελούνται από ένα πολύ κοινό υλικό, που βρίσκουμε τόσο στη Γη, όσο και στο γάλα ή τα κόκκαλά μας. Πρόκειται για το πέμπτο πιο κοινό ορυκτό στον φλοιό της Γης και έχουμε άφθονα αποθέματα αυτού.
Παράλληλα, το μεταλλικό ασβέστιο έχει πολύ υψηλή αγωγιμότητα και υψηλό σημείο τήξης, κάτι που το καθιστά μια πολύ ασφαλέστερη επιλογή για μπαταρίες, σε σχέση με το λίθιο. Την ίδια στιγμή δεν είναι καθόλου τοξικό και πολύ πιο ασφαλές για το περιβάλλον.
Όμως, το ανώτερη θεωρητικό όριο ενεργειακής πυκνότητας είναι πολύ υψηλότερο από τις μπαταρίες άνθρακα πυριτίου, με 3202Wh/L, αντί για 2800Wh/L, ενώ οι συνηθισμένες μπαταρίες καθόδων λιθίου είναι πολύ παρακάτω.
Όμως, το νέο υλικό δεν έρχεται χωρίς προβλήματα. Οι ηλεκτρολύτες με βάση το ασβέστιο αντιμετωπίζουν διάλυση ηλεκτροδίων, κάτι που υποβαθμίζει πολύ γρήγορα την χωρητικότητα των μπαταριών, κάθε φορά που γίνεται φόρτιση. Όμως τα νέα είναι καλά, καθώς σημειώθηκε νέο ορόσημο.
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Hong Kong, με επικεφαλής τον καθηγητή Yoonseob Kim, κατάφερε να δημιουργήσει έναν σχεδόν στερεό καταλύτη ασβεστίου, που επιτυγχάνει μεγαλύτερη μεταφορά ιόντων, ενώ ταυτόχρονα περιορίζει τη φθορά από τους επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης. Η μπαταρία που προκύπτει επιτυγχάνει αναστρέψιμη ειδική χωρητικότητα 155,9 mAh g⁻¹ υπό χαμηλό ρεύμα. Αυτό αντιστοιχεί σε ενεργειακή πυκνότητα μεταξύ 280 και 320 Wh/L, κοντά σε αυτές των τυπικών μπαταριών ιόντων λιθίου (250-400 Wh/L).
Όμως αυτό που ήταν εντυπωσιακό για μια τεχνολογία που τώρα κάνει τα πρώτα της βήματα, είναι πως κατάφερε να πραγματοποιήσει 1000 κύκλους φόρτισης, διατηρώντας το 74% της χωρητικότητάς της. Πρόκειται για ένα αποτέλεσμα που ξεπερνάει την απόδοση ορισμένων μπαταριών ιόντων λιθίου και μάλιστα με πολύ υψηλότερες τάσεις (3.6V) Η χωρητικότητα της εν λόγω μπαταρίας αυξάνεται δραματικά, σε περίπου 1.800Wh/L.
Το βασικό ερώτημα είναι πότε θα έχουμε τις μπαταρίες ασβεστίου στα smartphones μας. Πρόκειται για μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία, που όμως είναι ακόμα στα σκαριά. Στην παρούσα φάση, υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί που πρέπει να ξεπεραστούν πριν φτάσουν οι μπαταρίες ασβεστίου στα τηλέφωνά μας.
Ένας από τους περιορισμούς είναι στις ταχύτητες φόρτισης. Τα ιόντα ασβεστίου είναι μεγαλύτερα σε φυσικό μέγεθος, πράγμα που σημαίνει πως οι απαιτήσεις για γρήγορη φόρτιση είναι πολύ διαφορετικές σε σχέση με το λίθιο. Αυτό σημαίνει πως προς το παρόν δεν μπορεί να υποστηρίξει ιδιαίτερα γρήγορη φόρτιση.
Την ίδια στιγμή, η αλλαγή σε σχέση με τις μπαταρίες λιθίου είναι καθολική και αυτό σημαίνει πως πρέπει να κατασκευαστούν από την αρχή όλες οι δομές κατασκευής μπαταριών, από τι εξορύξεις μέχρι τα εργοστάσια παραγωγής αυτών των μπαταριών. Κάτι τέτοιο όμως απαιτεί τεράστιες επενδύσεις και αρκετό χρόνο, που σύμφωνα με τις πιο αισιόδοξες εκτιμήσεις να λένε πως απέχει 5-10 χρόνια από σήμερα.
Προς το παρόν όμως, οι μπαταρίες ασβεστίου δοκιμάζονται σε μικρές ηλεκτρονικές συσκευές. μια κινεζική ομάδα παρουσίασε μια μπαταρία ασβεστίου-οξυγόνου, που μπορεί να τροφοδοτήσει συσκευές όπως ένα smartwatch και ένα smartband ή ακόμα και κάποιο τηλέφωνο.
Όπως και να έχει, χρειαζόμαστε μεγαλύτερες μπαταρίες για τα κινητά μας, τα αυτοκίνητά μας, τα laptops μας και οτιδήποτε άλλο ηλεκτρονικό. Μια νέα τεχνολογία θα έρθει για να αντικαταστήσει τις παραδοσιακές μπαταρίες. Οι μπαταρίες ασβεστίου είναι από τους ισχυρότερους διεκδικητές της επικρατούσας τεχνολογίας μπαταριών, όμως υπάρχουν αρκετά που πρέπει να γίνουν ακόμα.
Ακολουθήστε το Techmaniacs.gr στο Google News για να διαβάζετε πρώτοι όλα τα τεχνολογικά νέα. Ένας ακόμα τρόπος να μαθαίνετε τα πάντα πρώτοι είναι να προσθέσετε το Techmaniacs.gr στον RSS feeder σας χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο: https://techmaniacs.gr/feed/.
