Ο κασσίτερος έχει τη δυνατότητα να ανταλλάσσει τέσσερα ηλεκτρόνια κατά τη μετάβασή του από διαλυμένα ιόντα σε στερεό μέταλλο. Ωστόσο, οι όξινες μπαταρίες κασσιτέρου αξιοποιούν συνήθως μια αντίδραση που περιλαμβάνει μόνο δύο ηλεκτρόνια, αφήνοντας ανεκμετάλλευτο το μισό από το δυνητικό φορτίο. Ερευνητές στην Κίνα απέδειξαν πρόσφατα ότι η τροποποίηση του υγρού που περιβάλλει τον κασσίτερο μπορεί να ξεκλειδώσει αυτή την επιπλέον χωρητικότητα.
Η εξέλιξη της έρευνας
Η προσθήκη ιόντων ιωδίου σε ένα διάλυμα με βάση τα χλωριούχα άλατα επέτρεψε σε μια «δύστροπη» αντίδραση να εξελίσσεται και προς τις δύο κατευθύνσεις, καθιστώντας δυνατή τη μεταφορά και των τεσσάρων ηλεκτρονίων. Η ερευνητική ομάδα επιβεβαίωσε αυτή τη χημική διαδικασία σε μια μπαταρία ροής κασσιτέρου-βρωμίου, καθώς και σε ένα πρωτότυπο 20 στοιχείων, το οποίο λειτούργησε για περισσότερες από 1.000 ώρες.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Chemistry, καταδεικνύει πώς τα ιόντα που περιβάλλουν ένα υλικό μπαταρίας μπορούν να καθορίσουν το ποσοστό της χωρητικότητάς του που καθίσταται διαθέσιμο.
Δύο στάδια, ένα εμπόδιο
Στις μπαταρίες ροής, υγροί ηλεκτρολύτες κυκλοφορούν μέσα σε στοιχεία (κελιά), όπου χημικές αντιδράσεις αποθηκεύουν και απελευθερώνουν ηλεκτρική ενέργεια. Η αύξηση του αξιοποιήσιμου φορτίου σε αυτά τα υγρά μπορεί να μειώσει τον όγκο που απαιτείται για την αποθήκευση. Η διαδικασία φόρτισης του κασσιτέρου, η οποία περιλαμβάνει τέσσερα ηλεκτρόνια, εξελίσσεται σε δύο στάδια: τα διαλυμένα ιόντα κασσιτέρου προσλαμβάνουν αρχικά δύο ηλεκτρόνια και, στη συνέχεια, άλλα δύο, μετατρεπόμενα σε μέταλλο που εναποτίθεται σε ένα ηλεκτρόδιο. Κατά την εκφόρτιση, η ακολουθία αυτή αντιστρέφεται.
Αν και προγενέστερες έρευνες είχαν αναδείξει τη χημεία των τεσσάρων ηλεκτρονίων του κασσιτέρου σε αλκαλικά διαλύματα, η παρούσα μελέτη εστιάζει σε μια διαφορετική πρόκληση: πώς να καταστεί το πρώτο στάδιο εύκολα αναστρέψιμο σε περιβάλλον όξινου ηλεκτρολύτη. Η ερευνητική ομάδα —στην οποία συμμετείχαν οι Yue Ao και Congxin Xie από το Ινστιτούτο Χημικής Φυσικής του Dalian, καθώς και η Xiaoxiao Wang από το Πανεπιστήμιο της Wuhan— εντόπισε την αιτία της δυσκολίας στο άμεσο περιβάλλον του κασσιτέρου.
Πειράματα και μοριακές προσομοιώσεις έδειξαν ότι τα ιόντα χλωρίου συνδέονται ισχυρά γύρω από τον διαλυμένο κασσίτερο. Για να πραγματοποιηθεί η μεταφορά ηλεκτρονίων, αυτή η διάταξη πρέπει να αναδιοργανωθεί —μια διαδικασία που απαιτεί ενέργεια και επιβραδύνει την αντίδραση. Η χρήση ιόντων ιωδίου αντί για χλωρίου διευκολύνει την απαραίτητη αναδιοργάνωση, καθώς σχηματίζονται ασθενέστεροι δεσμοί. Ωστόσο, η χρήση αποκλειστικά ιόντων ιωδίου δημιουργεί ένα άλλο πρόβλημα: η ένωση του κασσιτέρου διαλύεται ελάχιστα. Ένα υγρό που περιέχει ελάχιστη ποσότητα ενεργού υλικού δεν μπορεί να αποθηκεύσει σημαντικό φορτίο, ανεξάρτητα από το πόσο ο Αξιοποιώντας τη χημεία
Σε συνδυασμό με χημεία βρωμίου στην άλλη πλευρά της μπαταρίας, ο τροποποιημένος ηλεκτρολύτης απέδωσε περίπου το 89% της ηλεκτρικής ενέργειας που είχε εισαχθεί κατά τη φόρτιση. Μια συγκριτική μπαταρία, βασισμένη σε χλωρίδια, απέδωσε μόλις το 53% υπό την ίδια πυκνότητα ρεύματος.
Σε ξεχωριστά πειράματα, με χρήση ενός πιο πυκνού διαλύματος, επιτεύχθηκε απόδοση 205 βατ-ωρών ανά λίτρο ηλεκτρολύτη στην πλευρά του κασσιτέρου. Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνέδεσαν 20 στοιχεία σε μια διάταξη (συστοιχία) που παρήγαγε ισχύ περίπου 800 βατ. Η διάταξη ολοκλήρωσε περισσότερους από 260 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης σε διάστημα 1.000 ωρών. «Τα αποτελέσματα αυτά αποδεικνύουν τη σκοπιμότητα και την αξιοπιστία της νέας σχεδίασης ανόδου κασσιτέρου», αναφέρουν οι ερευνητές.
Το πρόβλημα
Ωστόσο, οι δοκιμές ανέδειξαν ένα πρόβλημα που θα πρέπει να αντιμετωπιστεί σε μελλοντικές έρευνες, οι οποίες θα εστιάζουν σε μεγαλύτερους χρόνους λειτουργίας. Ιόντα ιωδίου και κασσιτέρου διέρχονταν σταδιακά μέσα από τη μεμβράνη που διαχωρίζει τις δύο πλευρές της μπαταρίας. Καθώς το ιώδιο απομακρυνόταν από τον ηλεκτρολύτη του κασσιτέρου, η αντίδραση που είχε καταστεί δυνατή έχανε την αντιστρεψιμότητά της, μειώνοντας έτσι την απόδοση. Ορισμένες δοκιμές έδειξαν επίσης σταδιακή μείωση της χωρητικότητας.
Κατά τη διάρκεια των εκτεταμένων δοκιμών, δεν παρατηρήθηκε ο σχηματισμός αιχμηρών, διακλαδιζόμενων αποθέσεων κασσιτέρου — ένα ενθαρρυντικό στοιχείο για μια μπαταρία στην οποία το μέταλλο εναποτίθεται και διαλύεται επανειλημμένα. Παρόλα αυτά, η διατήρηση της σύστασης του υγρού παραμένει καθοριστικής σημασίας. Η επιπλέον ενέργεια που αποθηκεύεται δεν εξαρτάται μόνο από την επιλογή του κασσιτέρου ως υλικού της μπαταρίας: απαιτείται, επίσης, η διατήρηση των κατάλληλων χημικών στοιχείων στο περιβάλλον του, σε κάθε κύκλο λειτουργίας.
www.worldenergynews.gr
