Σε μία σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της επόμενης γενιάς μπαταριών στερεών ηλεκτρολυτών με βάση το χλωρίδιο στερεάς κατάστασης προχώρησαν ερευνητές. Οι ερευνητές με επικεφαλής τον καθηγητή Kisuk Kang του Κέντρου Έρευνας Νανοσωματιδίων του Ινστιτούτου Βασικής Επιστήμης (IBS), σύμφωνα με τα ευρήματά τους θα επιτρέψουν τη δημιουργία μπαταριών που παρουσιάζουν εξαιρετική ιοντική αγωγιμότητα, όπως φαίνεται στην ερευνητική εργασία που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Science.
Εξαιτίας της εντεινόμενης ανησυχίας για τις τρέχουσες εμπορικές μπαταρίες και την εξάρτησή τους από υγρούς ηλεκτρολύτες, που οδηγεί σε κινδύνους αναφλεξιμότητας και έκρηξης, η ανάπτυξη μη εύφλεκτων στερεών ηλεκτρολυτών είναι υψίστης σημασίας για την προώθηση της τεχνολογίας μπαταριών στερεάς κατάστασης. Καθώς ο κόσμος ετοιμάζεται να ρυθμίσει τα οχήματα με κινητήρα εσωτερικής καύσης και να επεκτείνει τη χρήση ηλεκτρικών οχημάτων στο δρόμο της πράσινης μετάβασης, η έρευνα στα βασικά στοιχεία των δευτερευουσών μπαταριών, ιδιαίτερα των μπαταριών στερεάς κατάστασης, έχει αποκτήσει σημαντική δυναμική.
Για να γίνουν οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης πρακτικές για καθημερινή χρήση, είναι σημαντικό να αναπτυχθούν υλικά με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, στιβαρή χημική και ηλεκτροχημική σταθερότητα και μηχανική ευελιξία, σύμφωνα με την έρευνα. Αν και η προηγούμενη έρευνα της ομάδας οδήγησε επιτυχώς σε στερεούς ηλεκτρολύτες βασισμένους σε θειούχα και οξείδια με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα, κανένα από αυτά τα υλικά δεν πληρούσε πλήρως όλες αυτές τις βασικές απαιτήσεις. Στο παρελθόν, οι επιστήμονες έχουν επίσης εξερευνήσει στερεούς ηλεκτρολύτες με βάση το χλώριο, γνωστούς 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 το χλωρίδιο είναι οι πιο πιθανοί υποψήφιοι για μπαταρίες στερεάς κατάστασης. Ωστόσο, αυτές οι ελπίδες έσβησαν γρήγορα , καθώς οι μπαταρίες χλωρίου θεωρήθηκαν μη πρακτικές λόγω της μεγάλης εξάρτησής τους από ακριβά μέταλλα σπάνιων γαιών, συμπεριλαμβανομένων των στοιχείων υττρίου, σκανδίου και λανθανιδίου, ως δευτερεύοντα συστατικά.
Για να αντιμετωπίσει αυτές τις ανησυχίες, η ερευνητική ομάδα του IBS εξέτασε την κατανομή μεταλλικών ιόντων στους ηλεκτρολύτες χλωρίου. Πίστευαν ότι ο λόγος που οι ηλεκτρολύτες τριγωνικού χλωριδίου μπορούν να επιτύχουν χαμηλή ιοντική αγωγιμότητα βασίζεται στη διακύμανση των διατάξεων μεταλλικών ιόντων εντός της δομής. Πρώτα δοκίμασαν αυτή τη θεωρία στο χλωριούχο λίθιο ύττριο, μια κοινή ένωση χλωριούχου μετάλλου λιθίου. Όταν τα μεταλλικά ιόντα τοποθετήθηκαν κοντά στο μονοπάτι των ιόντων λιθίου, οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις προκάλεσαν εμπόδιο στην κίνησή τους. Αντίθετα, εάν η κατάληψη μεταλλικών ιόντων ήταν πολύ χαμηλή, η διαδρομή για τα ιόντα λιθίου γινόταν πολύ στενή, εμποδίζοντας την κινητικότητά τους. Με βάση αυτές τις ιδέες, η ερευνητική ομάδα εισήγαγε στρατηγικές για το σχεδιασμό ηλεκτρολυτών με τρόπο που μετριάζει αυτούς τους αντικρουόμενους παράγοντες, οδηγώντας τελικά στην επιτυχή ανάπτυξη ενός στερεού ηλεκτρολύτη με υψηλή ιοντική αγωγιμότητα. Η ομάδα προχώρησε περαιτέρω για να επιδείξει με επιτυχία αυτή τη στρατηγική δημιουργώντας μια μπαταρία στερεάς κατάστασης λιθίου-χλωριούχου μετάλλου με βάση το ζιρκόνιο, η οποία είναι πολύ φθηνότερη από τις παραλλαγές που χρησιμοποιούν μέταλλα σπάνιων γαιών. Αυτή ήταν η πρώτη περίπτωση όπου αποδείχθηκε η σημασία της διάταξης των μεταλλικών ιόντων στην ιοντική αγωγιμότητα ενός υλικού.
Αυτή η έρευνα φέρνει στο φως τον συχνά παραμελημένο ρόλο της κατανομής μεταλλικών ιόντων στην ιοντική αγωγιμότητα στερεών ηλεκτρολυτών με βάση το χλώριο. Αναμένεται ότι η έρευνα του Κέντρου IBS θα ανοίξει το δρόμο για την ανάπτυξη διαφόρων στερεών ηλεκτρολυτών με βάση το χλώριο και θα προωθήσει περαιτέρω την εμπορευματοποίηση μπαταριών στερεάς κατάστασης, υποσχόμενη βελτιωμένη οικονομική προσιτότητα και ασφάλεια στην αποθήκευση ενέργειας. Ο συγγραφέας Kisuk Kang δήλωσε: «Αυτός ο στερεός ηλεκτρολύτης με βάση το χλώριο είναι έτοιμος να ξεπεράσει τους περιορισμούς των συμβατικών στερεών ηλεκτρολυτών με βάση τα θειούχα και οξείδια, φέρνοντάς μας ένα βήμα πιο κοντά στην ευρεία υιοθέτηση των μπαταριών στερεάς κατάστασης».
