AURKITU INTERESGARRIA DITUEN EDUKIAK
Litio-ioien bateriak nagusi dira kontsumoko elektronikaren, tresna elektrikoen eta elektromugikortasunaren sektoreetan. Biltegiratze estazionarioa ere litio-ioiari begira dago, aukerako teknologia gisa. Hala ere, prestazio hobeak, segurtasun osoa eta kostu txikiagoa etengabe eskatzeak litio-ioien bateriak mugetara eramaten ari dira.
M. Armandek eta bere laguntzaileek Prusiako urdinaren familiako materialetan metal alkalinoak tartekatzeko egindako lan aitzindarien ondoren, S. Whittinghamek 1976an aurkitutako litio-ioien lehen bateria kargagarria TiS2 elektrodo positibo gisa, litio metala elektrodo negatibo gisa eta dimetoxietanoan eta tetrahidrofuranoan oinarritutako elektrolito likido bat disolbatzaile organiko gisa eta LiClO4 litio ioien gatz eroale gisa oinarritzen zen.
Hala ere, gelaxka honek bere garaian merkaturatzea eragotzi zuten bi arazo garrantzitsu zituen: 1) gelaxkaren tentsio baxuak (< 2,5 V) hein batean habiatutako energia-dentsitate txikia, eta 2) litiozko dendriten hazkundeak eragindako segurtasun-arrisku larriak, barne-zirkuitulaburrak eragiten zituztenak.
Goodenoughek 80ko hamarkadan zuzendutako ikerketek energia-dentsitatearen arazoa konpondu zuten elektrodo positiboen materialen hiru familia garatuz: 1) oxido laminatuak, LiCoO2, ~ 4 V gelaxka-tentsioa ematen dutenak; 2) espinela estruktura duten oxidoak, LiMn2O4, 3-4 V tartean gelaxka-tentsioak dituztenak; 3) polianioiak, LixFe2(SO4)3 voltio batean trantsizio-metalen dikalkoholuroen gelaxka-tentsioa gaindi dezaketenak
Energia dentsitatearen arazoa elektrodo positiboen hiru materialekin konpondu bazen ere, litio dendriten hazkundearen arazoak bere horretan jarraitzen zuen.
Material katodiko berrien garapenarekin batera, Li anodo askeetan litioa tartekatzea lortu zen, grafitoa kasu, propileno karbonatoan (PC) oinarritutako elektrolitoak erabiliz. 1990ean, J. Dahnek eta bere kolaboratzaileek grafitoaren gainean litioaren tartekatze itzulgarria lortu zuten etileno karbonatoa (EC) elektrolitoaren kodisolbatzaile gisa erabiliz.
1991n, ordura arte egindako ikerketa guztietan inspiratuz, Sonyk litio ioien lehen bateria kargagarria merkaturatu zuen LiCoO2 katodo batean, karbono gogorreko anodo batean eta PCan oinarritutako elektrolito batean oinarrituta. Honen ondoren, pixkanaka EC eta dimetilo karbonatoa (DMC) eta grafitozko elektrodo negatiboak sartu ziren, 4 V.raino egonkortasuna emanez, ordutik, Li-ioieko bateria gehienetan grafitoa erabiltzen jarraitzen dute elektrodo negatiboko material bezala.
Aldiz, elektrodo positiboen materialen kopuruak gora egin du. Ingurumeneko eta ekonomiako arrazoiengatik, material katodiko geruzatuen lehen familian Co ezabatzeko beharrak LiNi1–y–zMnyCozO2 (NMC) eta LiNi1-y-zCoyAlzO2 (NCA) garatzea ekarri zuen, gaur egun elektrodo positiboen material nagusiak baitira, gaitasun espezifiko handia dutelako.
Beste bi katodo-familiei dagokienez, espinelak eboluzionatu egin zuen Ni-Mn-en ordezkapen partzialen bidez, eta horren ondorioz, tentsio handiko katodoko LiMn1.5Ni0.5O4 (4.7 V) materiala sortu zen, energia-dentsitate handiko promesak gorabehera, oraindik ez duena elektrolito egonkorrik tentsio horien funtzionamendua ahalbidetzeko.
Bitartean, material polianionikoen esplorazioak, elektrodo positiboen materialen hirugarren familia, olibinozko estruktura duen LiFePO4 emaitza eman zuen, ~ 3,2 V funtzionamenduko tentsio txikia duen arren, bizitza erabilgarri luzea eta egonkortasun termikoa dituen zikloaren eraginkortasun bikaina eskaintzen duena. Propietate horiek nabarmen hobetu dira, Armandek burdin fosfatoa karbonoarekin estaltzeko asmoa zuelako.
Ondorengo irudi honek litiozko ioien baterien garapenaren laburpen eskematikoa erakusten du, merkataritza-fasera iritsi diren elektrodo positiboen hiru familiei dagokienez.
Hala ere, egungo aplikazioei dagokienez, hobekuntza gehiago eskatzen dira energia-dentsitateari, kostu txikiagoari, balio-bizitzari eta segurtasunari dagokienez.
Grafitoak orain arte txertatze-katodo guztiak baino gaitasun espezifiko handiagoa duela kontuan hartuta, gaitasun espezifiko handiagoa duten elektrodo positiboen material berriak garatzeak eragin nabarmena izango luke energia-dentsitatean.
Aurretik aurkeztutako hiru katodo-familia nagusiei dagokienez, epe motzeko garapen berriak esplora daitezke, zehazki oxido geruzatuen litiozko konposizio aberatsak, hala nola Li1.2Mn0.6Ni0.2O2 edo Co eduki txikiagoa duten NMCn oinarritutako materialak eta/edo material horien kristal-egitura egonkortzeko joera duten ioi geldoen dopina.
Tentsio handiko espinela elektrodo positibo gisa finkatzea 5 V-tik gorako elektrolito operatibo eta egonkor baten aurkikuntzaren araberakoa izango da; hemen, elektrolito solido berriak (zeramikazko materialak) eta elektrolito likido aurreratuak (likido ionikoak, adibidez) izan daitezke tentsio handiko litiozko ioien baterien funtzionamendua ahalbidetzen duen funtsezko osagaia. Oro har, elektrolito solidoen integrazioak eta horiek masan ekoizteko prozesatze-tekniken garapenak egoera solidoko bateria bilatuak iristea eragingo dute.
Anodoei dagokienez, grafitoak hainbat eragozpen ditu, garrantzitsuena litiazioan zehar dagoen ziklo-abiadura mugatua izanik, hau da, bateria mugatuaren karga-abiadura, beste eragozpen bat sentitzen dut lehen zikloan atzera bueltarik gabe gaitasuna galtzea. Anodoaren Li4Ti5O12 materialak arazo horiek konpondu zituen, baina grafitoaren gaitasun espezifikoaren ~ % 50 baino ez du. Gaur egun, Si edo SiOx grafitoan sartzea aztertzen ari garen irtenbide bat da.
Epe ertain eta luzera, material aurreratuen bilaketa elektrodo eta elektrolito positibo eta negatiboei irekita egongo da, baita kimika berriei ere. Interkalazio-kimikan oinarritutako hautagai ezagunak Na-ion, Mg-ion eta K-ion dira. Kasu honetan, materialen garapena Li-ion-en teknologian erabiltzen diren antzeko materialetan oinarrituta landu daiteke.
Interkalazio-kimikaz harago, bihurketa- edo desplazamendu-erreakzioetan oinarritutako mekanismo berriek, biltegiratzeko ahalmen oso handia dutenek, aplikazio-multzo berri bat sor dezakete. Kimika hauen artean, Li-metal, Li-S eta Li-O2 bateriak dira ezagunenak eta litio metalikoa egonkortzeko material aurreratuen garapenean oinarritzen dira.
Konbertsio-mekanismoak dituzten material elektroaktiboetan oinarritutako bateriak ere etorkizun handiko aukerak dira, energia-dentsitate handia eman dezaketenak. Hala ere, teknologia honetarako material aurreratuek materialaren degradazioa eta tentsioko histeresia gainditu beharko dituzte, azken urteotan sistematikoki behatu direnak.
Horrela, litio ioien teknologia hiru katodo-familiatan eta bi anodo-familiatan garatu da. Litiozko ioien baterien errendimendu elektrokimikoari dagokionez etengabeko hobekuntzak lortzen diren arren, teknologiaren mugatik gertu gaude. Materialen familia berriak behar dira baterien, litio-ioien edo bestelakoen sustapenari eusteko, eta etorkizuneko behar guztiak betetzeko.
Energia biltegiratzeko azken joerak eta ikerkuntzako berrikuntzak ezagutu nahi badituzu, harpidetu zaitez.
Goi-mailako talde batean sartu nahi baduzu, hainbat diziplinatako espezialistekin elkarlanean aritu edo zure kezkak kontatu nahi badituzu, ez pentsatu bi aldiz...
