Οι προηγμένοι αισθητήρες στις μπαταρίες θα μπορούσαν να βοηθήσουν τα ηλεκτρικά οχήματα να διανύσουν μεγαλύτερες αποστάσεις, για περισσότερο χρόνο, με λιγότερη ζημιά στο περιβάλλον. © StudioFI, Shutterstock.com

Οι μπαταρίες είναι ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην πορεία προς την μαζική υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων (EV). Αλλά τι θα γινόταν αν μπορούσαν όχι μόνο να διαρκέσουν περισσότερο, αλλά και να αυτοεπισκευάζονται; Αυτό είναι το όραμα που οδηγεί ερευνητές όπως ο Johannes Ziegler και ο Liu Sufu, οι οποίοι εργάζονται για να το κάνουν πραγματικότητα.

Οι πωλήσεις ηλεκτρικών οχημάτων στην Ευρώπη αυξάνονται, σημειώνοντας άνοδο 20% τον Φεβρουάριο σε σύγκριση με τον ίδιο μήνα του 2024. Τα ηλεκτρικά οχήματα είναι απαραίτητα για τον εξηλεκτρισμό των μεταφορών μας και τη μείωση των εκπομπών άνθρακα που καταστρέφουν τον πλανήτη, αλλά το ταξίδι τους δεν είναι χωρίς προκλήσεις.

Τα περισσότερα ηλεκτρικά οχήματα βασίζονται σε μπαταρίες ιόντων λιθίου, παρόμοιες με αυτές των τηλεφώνων μας, αλλά πολύ μεγαλύτερες και πιο σύνθετες. Μια μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος περιέχει δεκάδες κιλά πολύτιμων μετάλλων – λιθίου, νικελίου και χαλκού – και πρέπει να διαρκέσει πάνω από μια δεκαετία, ταιριάζοντας με την αναμενόμενη διάρκεια ζωής ενός ηλεκτρικού οχήματος.

Για να αντιμετωπιστεί αυτή η πρόκληση, μια ομάδα ερευνητών συγκεντρώθηκε στο πλαίσιο μιας πρωτοβουλίας που χρηματοδοτείται από την ΕΕ με την ονομασία PHOENIX, με στόχο την ανάπτυξη μπαταριών που μπορούν να αυτοθεραπεύονται. Στόχος τους είναι να παρατείνουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, να τις κάνουν ασφαλέστερες και να μειώσουν την ανάγκη για νέα μέταλλα μπαταριών.

“Η ιδέα είναι να αυξηθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας και να μειωθεί το αποτύπωμα άνθρακα, επειδή η ίδια μπαταρία μπορεί να αυτοεπισκευαστεί, έτσι ώστε να χρειάζονται λιγότεροι πόροι συνολικά,” δήλωσε ο Ziegler, επιστήμονας υλικών στο Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC στη Γερμανία.

Το 2023, η ΕΕ προσδιόρισε 34 υλικά ως κρίσιμα, συμπεριλαμβανομένων μετάλλων μπαταριών όπως το λίθιο, το νικέλιο, ο χαλκός και το κοβάλτιο.

Το έργο PHOENIX πήρε το όνομά του από το μυθικό πουλί που αναγεννιέται από τις στάχτες του – ένα κατάλληλο σύμβολο για την αναγέννηση και την ανανέωση που ελπίζουν να επιτύχουν οι ερευνητές στην τεχνολογία μπαταριών.

Και τα διακυβεύματα είναι υψηλά. Η νομοθεσία της ΕΕ απαιτεί όλα τα νέα αυτοκίνητα και τα βαν που πωλούνται από το 2035 και μετά να παράγουν μηδενικές εκπομπές. Στόχος είναι η σημαντική μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου από τον τομέα των μεταφορών.

Για να συμβεί αυτό, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θα χρειαστούν καλύτερες μπαταρίες.

Αίσθηση και ενεργοποίηση

Όποιος έχει smartphone γνωρίζει την απογοήτευση με τις μπαταρίες: μετά από μερικά χρόνια, η διάρκεια ζωής τους μειώνεται κατακόρυφα. Το ίδιο πρόβλημα ταλαιπωρεί και τα ηλεκτρικά οχήματα, απλώς σε μεγαλύτερη κλίμακα.

Αυτό συμβαίνει επειδή τμήματα της μπαταρίας υποβαθμίζονται καθώς φορτίζεται και εκφορτίζεται επανειλημμένα με την πάροδο του χρόνου.

Επιστήμονες από το Βέλγιο, τη Γερμανία, την Ιταλία, την Ισπανία και την Ελβετία συνεργάζονται για να σχεδιάσουν αισθητήρες που ανιχνεύουν αλλαγές εντός μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου καθώς γερνάει και ενεργοποιούν την αυτοθεραπεία της μπαταρίας όταν χρειάζεται.

Στόχος είναι να διπλασιαστεί η διάρκεια ζωής των μπαταριών και, κατ' επέκταση, η διάρκεια ζωής των ηλεκτρικών οχημάτων.

“

Η ιδέα είναι να αυξηθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας και να μειωθεί το αποτύπωμα άνθρακα, επειδή η ίδια μπαταρία μπορεί να αυτοεπισκευαστεί, έτσι ώστε να χρειάζονται λιγότεροι πόροι συνολικά.

Σήμερα, τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών (BMS) – ο εγκέφαλος μιας μπαταρίας – παρακολουθούν την τάση και τη θερμοκρασία μιας μπαταρίας για να διασφαλίσουν ότι δεν θα υπερθερμανθεί και θα προκαλέσει προβλήματα ασφάλειας.

“Επί του παρόντος, αυτό που ανιχνεύεται είναι πολύ περιορισμένο σε γενική θερμοκρασία, τάση και ρεύμα. Εκτός από την παροχή μιας εκτίμησης της υπολειπόμενης διαθεσιμότητας ενέργειας, διασφαλίζει την ασφάλεια,” δήλωσε ο Yves Stauffer, μηχανικός στο Swiss Centre for Electronics and Microtechnology (CSEM), ένα κέντρο καινοτομίας που αναπτύσσει τεχνολογίες αιχμής. Ο Stauffer ηγείται της έρευνας BMS.

Η ομάδα PHOENIX στοχεύει να προχωρήσει περισσότερο εισάγοντας προηγμένους αισθητήρες και ενεργοποιητές. Ορισμένοι από αυτούς θα ανιχνεύουν πότε η μπαταρία διαστέλλεται, άλλοι θα δημιουργούν έναν χάρτη θερμότητας και ορισμένοι θα παρακολουθούν επικίνδυνα αέρια όπως το υδρογόνο ή το μονοξείδιο του άνθρακα.

Όλοι αυτοί οι αισθητήρες θα παρέχουν ένα σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης για την κατάσταση της μπαταρίας.

Όταν ο εγκέφαλος της μπαταρίας αποφασίσει ότι χρειάζεται επισκευή, ενεργοποιείται η θεραπεία. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει συμπίεση της μπαταρίας για να επανέλθει στο σχήμα της, για παράδειγμα, ή εφαρμογή στοχευμένης θερμότητας για την ενεργοποίηση μηχανισμών αυτοεπισκευής στο εσωτερικό.

“Η ιδέα είναι ότι υπό θερμική επεξεργασία, ορισμένοι μοναδικοί χημικοί δεσμοί θα επανέλθουν,” δήλωσε ο Sufu, χημικός μπαταριών στο CSEM που εργάζεται επίσης στο PHOENIX.

Μια άλλη προσέγγιση αυτοθεραπείας χρησιμοποιεί μαγνητικά πεδία για να διασπάσει τα δενδρίτες – διακλαδισμένες μεταλλικές δομές που σχηματίζονται σε ηλεκτρόδια μπαταριών κατά τη φόρτιση και μπορούν να προκαλέσουν βραχυκυκλώματα και αστοχίες.

Το μέγεθος μετράει

Οι ερευνητές του PHOENIX στοχεύουν επίσης να αυξήσουν την εμβέλεια των ηλεκτρικών οχημάτων και να μειώσουν το μέγεθος των μπαταριών.

“Προσπαθούμε να αναπτύξουμε μπαταρίες επόμενης γενιάς με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα,” δήλωσε ο Sufu. Αυτό σημαίνει ότι ένα ηλεκτρικό όχημα θα απαιτούσε μια μικρότερη μπαταρία, η οποία θα το έκανε ελαφρύτερο και θα του επέτρεπε να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση με μία μόνο φόρτιση.

Μια στρατηγική είναι να αντικατασταθεί ο γραφίτης, το υλικό που χρησιμοποιείται στα μολύβια, με πυρίτιο, το οποίο βρίσκεται κάπου ανάμεσα στα μέταλλα και τα μη μέταλλα.

Αυτό δεν υιοθετείται ευρέως στις σημερινές εμπορικές μπαταρίες, εν μέρει επειδή το πυρίτιο είναι λιγότερο σταθερό και ο όγκος του μπορεί να αυξηθεί έως και 300% κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση, δήλωσε ο Sufu. Με το πυρίτιο στο εσωτερικό, μια μπαταρία θα έπρεπε να είναι σε θέση να επιβιώσει από αυτές τις δραστικές αλλαγές ή να αυτοεπισκευαστεί.

“

Προσπαθούμε να αναπτύξουμε μπαταρίες επόμενης γενιάς με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα.

Τον Μάρτιο του 2025, μια νέα παρτίδα πρωτοτύπων αισθητήρων και ενεργοποιητών αναπτύχθηκε και αποστάλθηκε σε συνεργάτες για δοκιμές σε κυψέλες θήκης μπαταριών – εύκαμπτες, ελαφριές και επίπεδες μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Ωστόσο, ενώ η φόρτωση μιας μπαταρίας με αισθητήρες είναι εξαιρετική για την παροχή πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση της, προσθέτει επίσης στο κόστος. Ως εκ τούτου, η ομάδα επικεντρώνεται στον εντοπισμό των τεχνολογιών που προσφέρουν αρκετό όφελος για να δικαιολογήσουν το κόστος των ηλεκτρικών οχημάτων.

Όποια προσέγγιση και αν επικρατήσει, θα επιτρέψει στα μελλοντικά ηλεκτρικά οχήματα να διαρκέσουν περισσότερο και να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση, με ασφαλέστερες, πιο συμπαγείς και λιγότερο εντατικές σε πόρους μπαταρίες.

Η παράταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας θα μειώσει επίσης το αποτύπωμα άνθρακα των ηλεκτρικών οχημάτων, προσφέροντας μια win-win κατάσταση τόσο για τους καταναλωτές όσο και για το περιβάλλον.

“Είναι συναρπαστικό να παρατείνουμε τη διάρκεια ζωής των μπαταριών και να εργαζόμαστε σε ηλεκτρικά οχήματα,” δήλωσε ο Ziegler. “Είναι όλα σχετικά με την ένωση των τμημάτων.”