Δέκα φορές μεγαλύτερη χωρητικότητα αποθήκευσης από τον γραφίτη, το υλικό που χρησιμοποιήθηκε μέχρι τώρα σε μπαταρίες ιόντων λιθίου για την προώθηση της φόρτισης. Αυτός είναι ο λόγος για την προβολή της χρήσης πυριτίου τα επόμενα χρόνια, τόσο σε «smartphones» και συσκευές καθώς και στις ανόδους των μπαταριών αυτοκινήτων (τομέας στον οποίο η Volkswagen μόλις ανακοίνωσε την επικείμενη κατασκευή ενός γιγα εργοστασίου στο Sagunto για την κατασκευή μπαταριών για ηλεκτρικά αυτοκίνητα, με αναμενόμενη δημιουργία 3.000 θέσεων εργασίας). Και εταιρείες όπως η Sila Nanotechnologies, στις Ηνωμένες Πολιτείες, επιβεβαίωσαν την έναρξη της παραγωγής των πρώτων τους μονάδων μπαταριών με αυτό το ορυκτό.
Η Ισπανία διαθέτει πολλά ερευνητικά κέντρα που εργάζονται σε αυτό το ορυκτό, το δεύτερο πιο άφθονο στον φλοιό της γης και πιο προσιτό από τον γραφίτη (όπως σε πολλές άλλες περιπτώσεις -για παράδειγμα, στις «σπάνιες γαίες»-, με την κινεζική ηγεμονία), όπως είναι παρόν στο βράχους ή άμμο, και μόλις εξαχθεί, μπορεί να ξεκινήσει τον ωφέλιμο κύκλο ζωής του.
Αυτό κάνουν στο Floatech, ένα spin-off της IMDEA Materials (ένα ερευνητικό ινστιτούτο προσαρτημένο στην Κοινότητα της Μαδρίτης), που συγχρηματοδοτείται από τον Juan José Vilatela και τον Richard Schäufele, μέρος της Ομάδας Πολυλειτουργικών Νανοσύνθετων του ινστιτούτου.
Παρόν και μέλλον
Ο Vilatela, φυσικός μηχανικός από το Universidad Iberoamericana de México και διδάκτορας από το Πανεπιστήμιο του Cambridge, τονίζει την ουσία της εργασίας με αυτό το υλικό: καθώς και τη μείωση του βάρους και του μεγέθους».
Ως ένδειξη του ερευνητή, η καινοτομία εστιάζει στη βελτίωση της διαδικασίας ώστε να είναι πανταχού παρούσα στον «ενάρετο χώρο» μεγαλύτερη κατασκευή, χαμηλότερη τιμή... με την επιστροφή της βιώσιμης παραγωγής: «Το πυρίτιο απαιτεί μια διαδικασία μετατροπής σε συσκευή, για η οποία στην Floatech εξάλειψη όλων των διαλυτών και τη διαδικασία ανάμειξης, έτσι το περιβαλλοντικό αποτύπωμα θα μειωθεί». Μια περιοδεία στη μέση ενός επενδυτικού γύρου, με σκοπό την κατασκευή του πρώτου πιλοτικού εργοστασίου το 2023 και το προϊόν έτοιμο έως το 2025 (είχαν την υποστήριξη του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Έρευνας, από ένα έργο αριστείας στην έρευνα).
Φυσικά, αν και το πυρίτιο έρχεται φορτωμένο με πλεονεκτήματα, παρουσιάζει κάποια επιτακτική ανάγκη, όπως το ράγισμα του λόγω των συνεχών αλλαγών στον όγκο που είναι χαρακτηριστικές της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Υπό αυτή την έννοια, η Carmen Morant, Καθηγήτρια Εφαρμοσμένης Φυσικής στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης, υπογραμμίζει τη σημασία αυτού του ορυκτού: «Είναι πολλά υποσχόμενο ως υλικό ανόδου για μπαταρίες λιθίου, επειδή είναι το στοιχείο με την υψηλότερη ειδική-θεωρητική χωρητικότητα και πολύ άφθονη στη φύση. Θα μπορούσε να είναι πολύ σημαντικό, για παράδειγμα, στην αποθήκευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ωστόσο, λόγω των τεράστιων διακυμάνσεων όγκου που συμβαίνουν στην εισαγωγή/εξαγωγή λιθίου στο πυρίτιο, όπου το υλικό αυξάνεται και μειώνεται σε όγκο έως και τέσσερις φορές, η άνοδος ραγίζει, σπάει και η μπαταρία χάνει σταθερότητα. Για το λόγο αυτό, μελετάμε πώς να αυξήσουμε την ωφέλιμη ζωή αυτών των μπαταριών με τη χρήση υλικών σε μικρές διαστάσεις, όπως, για παράδειγμα, λεπτές μεμβράνες πυριτίου και νανοσύρματα πυριτίου».
Η λύση ήταν ένα επιβεβλημένο φυσικό βήμα, όπως επισημαίνει ο Morant, «δουλεύοντας με πολύ λεπτότερα στρώματα πυριτίου και κατασκευάζοντας κάθετα ευθυγραμμισμένα νανοσύρματα πυριτίου. Για να το οπτικοποιήσουμε, θα ήταν κάτι παρόμοιο με τις αιχμές ενός πόνου, μεταξύ εκείνων των χώρων που αυξάνονται σε όγκο μπορούν να φιλοξενηθούν κατά τις διαδικασίες φόρτωσης-εκφόρτωσης». Ο ειδικός υπογραμμίζει επίσης ότι υπάρχουν δύο τύποι πυριτίου σε αυτόν τον τομέα: «το κρυσταλλικό (πιο ακριβό και μη εμπορικά βιώσιμο) και το άμορφο, πιο πορώδες και που μπορεί να «ντοπαριστεί» με την εισαγωγή υλικών έτσι ώστε να είναι ακόμα πιο αγώγιμη, για την οποία διερευνούμε σε συνεργασία με τον Όμιλο Deposited Silicon Devices, Photovoltaic Solar Energy Unit του CIEMAT (Κέντρο Ενέργειας, Περιβαλλοντικής και Τεχνολογικής Έρευνας)».
Στην περίπτωση της Marta Cabello, μεταδιδακτορικής ερευνήτριας στην ερευνητική ομάδα Cell Prototyping στο CIC energiGUNE, υπογραμμίζει πώς, μέχρι τώρα, η βιομηχανία χρησιμοποιούσε πολύ χαμηλές ποσότητες πυριτίου στις ανόδους, μεταξύ 5 και 8%. Και υπογραμμίζει τη συμμετοχή του ιδρύματος στο ευρωπαϊκό έργο 3beLiEVe, «στόχος του οποίου είναι η ενίσχυση της θέσης της ευρωπαϊκής βιομηχανίας μπαταριών και αυτοκινητοβιομηχανίας στη μελλοντική αγορά ηλεκτρικών οχημάτων μέσω και προμήθειας της πρώτης γενιάς μπαταριών που σχεδιάζονται και κατασκευάζονται στην Ευρώπη. Σε αυτό το έργο διερευνάται η εισαγωγή πυριτίου στο υλικό ανόδου.
Αυτή η ανάπτυξη του κέντρου, που βρίσκεται στο Τεχνολογικό Πάρκο Álava, είχε προηγηθεί από τη συμμετοχή σε ένα άλλο εξαιρετικό ευρωπαϊκό έργο Graphene Flagship Core 2, «όπου διεξήχθη έρευνα σε ανόδους πυριτίου σε συνδυασμό με γραφένιο, καταφέρνοντας να κλιμακώσει αυτόν τον συνδυασμό υλικών για μάζα παραγωγής».
New Times
Ως αποτέλεσμα της βιωσιμότητας, ο Cabello επισημαίνει ότι η αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας της μπαταρίας θα καταστήσει δυνατή την ύπαρξη ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρίες ικανές να προσφέρουν περισσότερα χιλιόμετρα για εξοικονόμηση με μία μόνο φόρτιση: βιομηχανικές μπαταρίες ιόντων λιθίου σε ανόδους πυριτίου μειώνονται στο ελάχιστο, είναι ότι η κατασκευή και η επεξεργασία αυτών των ανοδίων πραγματοποιείται σε υδατικό μέσο, μακριά από τους οργανικούς διαλύτες που χρησιμοποιούνται συνήθως, οι οποίοι είναι τοξικοί και μειώνουν την ασφάλεια των μπαταριών».
Ένα άλλο highlight είναι αυτό της Ferroglobe, της ισπανικής εταιρείας, μαζί με τη Little Electric Cars, που επιλέχθηκαν στο δεύτερο πανευρωπαϊκό έργο έρευνας και καινοτομίας (IPCEI) που καλύπτει ολόκληρη την αλυσίδα αξίας των μπαταριών.
Ο παγκόσμιος κορυφαίος παραγωγός μετάλλου πυριτίου και σιδηροκραμάτων πυριτίου-μαγγανίου, έχει παγκόσμια πελατεία σε δυναμικές και ταχέως αναπτυσσόμενες αγορές όπως η ηλιακή ενέργεια, η αυτοκινητοβιομηχανία, τα καταναλωτικά προϊόντα, οι κατασκευές και ο ενεργειακός τομέας, με εργοστάσια παραγωγής στην Ισπανία, τη Γαλλία, τη Νορβηγία , Νότια Αφρική, Ηνωμένες Πολιτείες, Καναδάς, Αργεντινή και Κίνα (26 κέντρα παραγωγής, με 69 φούρνους παγκοσμίως και περίπου 3400 εργαζόμενους παγκοσμίως) .
Στο Κέντρο Καινοτομίας και Έρευνας και Ανάπτυξης (στο Sabón της Λα Κορούνια), μαζί με το εργοστάσιο μεταλλουργίας πυριτίου, το μοναδικό στην Ισπανία, η Ferroglobe έχει ξεκινήσει ένα στρατηγικό σχέδιο καινοτομίας για την ανάπτυξη σκόνης πυριτίου (μικρομετρική και νανομετρική) για την άνοδο του λιθίου -μπαταρίες ιόντων. «Η εταιρεία (επισημαίνουν) θέλει να προσφέρει λύσεις στην τρέχουσα πρόκληση που αντιμετωπίζει η αυτοκινητοβιομηχανία και η βιομηχανία κινητικότητας, όπως η προώθηση μιας μετάβασης προς πιο βιώσιμες και κλιματικά ουδέτερες τεχνολογίες. Σε αυτό το πλαίσιο, οι μπαταρίες αποτελούν βασική τεχνολογία για αυτήν την αλλαγή, αλλά είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η προμήθεια των προηγμένων υλικών που είναι απαραίτητα για την κατασκευή τους». Ένα διεθνές σενάριο στο οποίο το πυρίτιο καθιερώνεται ως ένα από τα βασικά υλικά της πρώτης δεκαετίας για την αποσαφήνιση της σχέσης μεταξύ κερδοφορίας και βιωσιμότητας.
