Bateria „kwantowa”
Od 26 do 28 lutego w Tokio odbywa się wystawa napędów, na której między innymi występuje firma Micronics Japan Co. Sp. z o.o. Niewiele wiadomo o jej poprzednich opracowaniach, ale niedawno ogłosiła, że opracowała i przygotowała do produkcji nowy typ baterii warstwowej. Jedno ogniwo, które demonstruje firma, to warstwa półprzewodnikowa z tlenku metalu typu n, która wykorzystuje cząsteczki dwutlenku tytanu, dwutlenku cyny i tlenku cynku pokryte warstwą izolacyjną. Prototyp wykorzystuje blachę ze stali nierdzewnej o grubości 10 mikronów, ale wkrótce zostanie zastąpiony aluminium.
Twórcy nazwali swoją baterię Quantum, aby podkreślić jej fizyczną, a nie chemiczną naturę. Chociaż do przechowywania energii wykorzystuje elektrony zamiast jonów, ta bateria zasadniczo różni się od kondensatorów. Twierdzi się, że system opiera się na przechowywaniu elektronów „w pasmie wzbronionej” półprzewodnika.
W produkcji struktur „metal - tlenek - półprzewodnik” warstwa ładunku urządzenia magazynującego jest napromieniowana światłem ultrafioletowym. Po wytworzeniu, podczas ładowania, elektrony zajmują wolne poziomy energii w materiale roboczym i są tam przechowywane do czasu, gdy akumulator będzie wymagał rozładowania. Rezultatem są akumulatory o bardzo wysokiej gęstości magazynowania energii.
Nie wiadomo, co mają próbki testowe, ale deweloper twierdzi, że seryjne próbki, które pojawią się w niedalekiej przyszłości, będą miały moc do 500 Wh/l i jednocześnie będą w stanie dostarczyć nawet 8000 watów mocy szczytowej na litr objętości.
Napędy te łączą w sobie najlepsze cechy akumulatorów i superkondensatorów. Nawet przy małej pojemności będą w stanie dostarczyć wysoką moc szczytową. Napięcie usuwane z takich urządzeń magazynujących nie zmniejsza się w miarę ich rozładowywania, ale pozostaje stabilne do końca.
Deklarowany zakres temperatur pracy wynosi od -25 do +85°C. Akumulator można poddać 100 tys. cykli ładowania i rozładowania, aż pojemność spadnie poniżej 90% oryginalnej. Możliwość szybkiego pobierania i uwalniania energii znacznie skróci czas ładowania. Ponadto baterie te są ognioodporne. Do jego produkcji nie są używane rzadkie lub drogie materiały. Ogólnie plusów jest tyle, że nawet nie mogę w to uwierzyć.
Akumulator samoładujący
Grupa badaczy kierowana przez Zhong Lin Wang z Georgia Institute of Technology (USA) stworzyła samoładującą się baterię, która nie wymaga podłączania do gniazdka w celu naładowania.
Urządzenie jest ładowane przez uderzenie mechaniczne, a raczej przez naciśnięcie. Przewiduje się, że będzie używany w smartfonach i innych urządzeniach dotykowych.
Twórcy umieścili swoje urządzenie pod klawiszami kalkulatora i byli w stanie zapewnić jego działanie w ciągu 24 godzin dzięki energii wynikającej z naciskania przycisków.
Akumulator to „prirog” wykonany z folii z polifluorku winylidenu i cyrkoniowo-tytanowo-ołowiowych o grubości kilkuset mikrometrów. Po naciśnięciu na nią jony litu migrują z katody do anody w wyniku efektu piezoelektrycznego. Aby poprawić wydajność prototypu, badacze dodali nanocząsteczki do jego materiału piezoelektrycznego, wzmacniając odpowiedni efekt, i osiągnęli znaczny wzrost pojemności i szybkości ładowania urządzenia.
Musisz zrozumieć, że bateria jest nieprzezroczysta, więc zmieści się tylko pod przyciskami lub pod ekranem.
Bateria nie ma tak wybitnych cech jak poprzednio opisywane urządzenie (teraz pojemność baterii wielkości standardowego „tabletu” do płyt głównych wzrosła z początkowych 0,004 do 0,010 mAh), ale twórcy obiecują więcej popracować nad jego efektywność. Do projektów przemysłowych jeszcze daleko, choć elastyczne ekrany – główne urządzenia, w których deweloperzy planują umieścić swoje baterie – są nadal słabo rozłożone. Jest jeszcze czas na sfinalizowanie swojego wynalazku i wprowadzenie go do produkcji.
Bateria cukrowa
Wygląda na to, że baterie rozwijają tylko Azjaci. Prototyp kolejnej nietypowej baterii powstał na American Polytechnic University of Virginia.
Ta bateria zasadniczo działa na cukrze, a dokładniej na maltodekstrynie, polisacharydzie otrzymywanym w wyniku hydrolizy skrobi. Katalizatorem w takiej baterii jest enzym. Jest znacznie tańszy niż platyna, która jest obecnie używana w konwencjonalnych bateriach. Taka bateria należy do typu enzymatycznych ogniw paliwowych. W reakcji tlenu, powietrza i wody wytwarzana jest tutaj energia elektryczna. W przeciwieństwie do wodorowych ogniw paliwowych enzymy są niepalne i niewybuchowe. A po wyczerpaniu się baterii, według twórców, można ją uzupełnić cukrem.
Niewiele wiadomo o charakterystyce technicznej tego typu baterii. Twierdzi się jedynie, że gęstość energii w nich jest kilkakrotnie wyższa niż w konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych. Koszt takich baterii jest znacznie niższy niż konwencjonalnych, więc twórcy są pewni, że znajdą komercyjne zastosowanie w ciągu najbliższych 3 lat. Poczekajmy na obiecane.
Bateria ze strukturą granatu
Jednak naukowcy z amerykańskiego National Acceleration Laboratory SLAC na Uniwersytecie Stanforda postanowili zwiększyć objętość konwencjonalnych baterii za pomocą struktury granatu.
Twórcy maksymalnie zmniejszyli rozmiar anod i umieścili każdą z nich w karbonowej powłoce. Zapobiega to ich zniszczeniu. Podczas ładowania cząsteczki rozszerzają się i łączą w skupiska, które również są umieszczane w powłoce węglowej. W wyniku tej manipulacji pojemność tych akumulatorów jest 10 razy większa niż w przypadku konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych.
Z eksperymentów wynika, że po 1000 cykli ładowania/rozładowania akumulator zachowuje 97% swojej pierwotnej pojemności.
Ale jest za wcześnie, aby mówić o komercyjnym zastosowaniu tej technologii. Nanocząstki krzemu są zbyt drogie w produkcji, a proces tworzenia takich baterii jest zbyt skomplikowany.
Baterie atomowe
I na koniec opowiem o rozwoju Brytyjscy naukowcy... Postanowili prześcignąć swoich kolegów, tworząc miniaturowy reaktor jądrowy. Prototypowa bateria atomowa, stworzona przez naukowców z University of Surrey na bazie trytu, wytwarza energię wystarczającą do działania telefonu komórkowego przez 20 lat. To prawda, że później nie będzie można go naładować.
W baterii, która jest zintegrowanym mikroukładem, zachodzi reakcja jądrowa, w wyniku której powstaje 0,8 - 2,4 wata energii. Temperatura pracy akumulatora wynosi od -50 do +150. Jednocześnie nie boi się nagłych zmian temperatury i ciśnienia.
Twórcy twierdzą, że zawarty w baterii tryt nie jest niebezpieczny dla ludzi, ponieważ jest tam bardzo mało treści. Jednak jest za wcześnie, aby mówić o masowej produkcji takich zasilaczy – naukowcy muszą jeszcze przeprowadzić wiele badań i testów.
Wniosek
Oczywiście nie wszystkie opisane powyżej technologie znajdą swoje zastosowanie, niemniej jednak należy zrozumieć, że w ciągu najbliższych kilku lat powinien nastąpić przełom w technologii produkcji akumulatorów, który pociągnie za sobą gwałtowny wzrost proliferacji pojazdów elektrycznych i produkcja smartfonów i innych urządzeń elektronicznych nowego typu.
Na początku lat 90. nastąpił duży krok w technologii akumulatorów – wynalezienie litowo-jonowych urządzeń magazynujących energię. To pozwoliło nam zobaczyć smartfony, a nawet samochody elektryczne w takiej formie, w jakiej istnieją, ale od tego czasu nic poważnego nie wymyślono w tej dziedzinie, ten typ jest nadal używany w elektronice.
Kiedyś akumulatory Li-ion o zwiększonej pojemności i braku „efektu pamięci” rzeczywiście były przełomem w technologii, ale teraz nie radzą sobie już ze zwiększonym obciążeniem. Pojawia się coraz więcej smartfonów z nowymi, przydatnymi funkcjami, które docelowo zwiększają obciążenie baterii. Jednocześnie pojazdy elektryczne z takimi akumulatorami są wciąż zbyt drogie i nieefektywne.
Aby smartfony działały przez długi czas i pozostały małe, potrzebne są nowe baterie.
Baterie do elektrod płynnych
Jedną z ciekawych prób rozwiązania problemów tradycyjnych akumulatorów jest opracowanie akumulatorów „przepływowych” z ciekłym elektrolitem. Zasada działania takich akumulatorów opiera się na interakcji dwóch naładowanych cieczy, napędzanych pompami przez ogniwo, w którym generowany jest prąd elektryczny. Płyny w tym ogniwie nie mieszają się, ale są oddzielone membraną, przez którą przechodzą naładowane cząstki, tak jak w konwencjonalnym akumulatorze.
Akumulator można naładować w zwykły sposób lub napełnić nowym, naładowanym elektrolitem, w tym przypadku procedura zajmie tylko kilka minut, podobnie jak wlanie benzyny do baku. Ta metoda nadaje się przede wszystkim do samochodu, ale również przydatna do elektroniki.
Baterie sodowe
Głównymi wadami akumulatorów litowo-jonowych są wysoki koszt materiałów, stosunkowo niewielka liczba cykli rozładowania-ładowania oraz zagrożenie pożarowe. Dlatego naukowcy od dawna starają się ulepszyć tę technologię.
W Niemczech trwają obecnie prace nad bateriami sodowymi, które powinny stać się trwalsze, tańsze i pojemniejsze. Elektrody nowego akumulatora zostaną złożone z różnych warstw, co pozwoli na szybkie ładowanie akumulatora. Obecnie trwają poszukiwania bardziej niezawodnej konstrukcji elektrody, po których będzie można stwierdzić, czy ta technologia trafi do produkcji, czy też lepszy będzie jakiś inny rozwój.
Baterie litowo-siarkowe
Kolejną nowością są akumulatory litowo-siarkowe. Planowane jest zastosowanie w tych bateriach katody siarkowej, co będzie oznaczać znaczne obniżenie kosztów baterii. Akumulatory te są już w wysokim stanie gotowości i mogą wkrótce trafić do produkcji seryjnej.
Teoretycznie akumulatory litowo-siarkowe mogą osiągnąć wyższą pojemność energetyczną niż akumulatory litowo-jonowe, które osiągnęły już swój limit. Bardzo ważne jest, aby akumulatory litowo-siarkowe można było całkowicie rozładowywać i przechowywać w stanie pełnego rozładowania przez nieograniczony czas bez efektu pamięci. Siarka jest produktem wtórnym rafinacji ropy naftowej, nowe baterie nie będą zawierały metali ciężkich (niklu i kobaltu), nowy skład baterii będzie bardziej przyjazny dla środowiska, a ich utylizacja będzie łatwiejsza.
Wkrótce będzie wiadomo, która technologia będzie najbardziej obiecująca i zastąpi starzejące się akumulatory litowo-jonowe.
Tymczasem zapraszamy do zapoznania się z popularnym zawodem.
Jednostkowe zużycie energii nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych sięga 200 W*h/kg. Średnio wystarczy to na 150 kilometrów bez doładowania, czego nie można porównać z przebiegiem przy jednym tankowaniu samochodów z konwencjonalnym silnikiem spalinowym. Aby pojazdy elektryczne stały się popularne, muszą mieć porównywalne przebiegi. Aby to zrobić, musisz doprowadzić właściwą pojemność energetyczną akumulatorów do co najmniej 350-400 W * h / kg. Obiecujące typy akumulatorów opisane poniżej będą w stanie to zapewnić, chociaż w każdym przypadku są „ale”.
Baterie litowo-siarkowe wyróżniają się dużą pojemnością właściwą, co wynika z faktu, że w procesie reakcji chemicznej każda cząsteczka oddaje nie jeden, a dwa wolne elektrony. Ich teoretyczna energia właściwa to 2600 W*h/kg. Ponadto takie akumulatory są znacznie tańsze i bezpieczniejsze niż akumulatory litowo-jonowe.
Podstawowy akumulator Li-S składa się z anody litowej, katody węglowo-siarkowej i elektrolitu, przez który przechodzą jony litu. Podczas wyładowania zachodzi reakcja chemiczna, podczas której lit anody przekształca się w siarczek litu, który osadza się na katodzie. Napięcie akumulatora wynosi od 1,7 do 2,5 V, w zależności od rozładowania akumulatora. Polisiarczki litu powstające podczas reakcji będą miały wpływ na napięcie akumulatora.
Reakcji chemicznej w akumulatorze towarzyszy szereg negatywnych skutków ubocznych. Gdy siarka katodowa absorbuje jony litu z elektrolitu, powstaje siarczek litu Li2S, który osadza się na katodzie. Jednocześnie jego wolumen wzrasta o 76%. Podczas ładowania zachodzi reakcja odwrotna, prowadząca do zmniejszenia wielkości katody. W rezultacie katoda ulega znacznym przeciążeniom mechanicznym, co prowadzi do jej uszkodzenia i utraty kontaktu z odbierakiem prądu. Ponadto Li 2 S degraduje kontakt elektryczny w katodzie między siarką a węglem (droga, którą poruszają się elektrony) i zapobiega przepływowi jonów litu na powierzchnię siarki.
Kolejny problem związany jest z faktem, że podczas reakcji siarki z litem Li 2 S nie powstaje natychmiast, ale poprzez szereg przemian, podczas których powstają wielosiarczki (Li 2 S 8, Li 2 S 6 itd.) . Ale jeśli siarka i Li 2 S są nierozpuszczalne w elektrolicie, to przeciwnie, polisiarczki rozpuszczają się. Prowadzi to do stopniowego zmniejszania ilości siarki na katodzie. Inną uciążliwością jest pojawianie się chropowatości na powierzchni anody litowej podczas przepływu dużych prądów rozładowania i ładowania. Wszystko to razem doprowadziło do tego, że taka bateria była w stanie wytrzymać nie więcej niż 50-60 cykli rozładowania i ładowania, przez co nie nadawała się do praktycznego użytku.
Jednak najnowsze osiągnięcia Amerykanów z National Laboratory. Lawrence z Berkeley był w stanie przezwyciężyć te niedociągnięcia. Stworzyli unikalną katodę wykonaną z materiału nanokompozytowego (grafen i tlenek siarki), którego integralność utrzymuje elastyczna powłoka polimerowa. Dlatego zmiana wymiarów katody podczas ładowania wyładowania nie prowadzi do jej zniszczenia. Środek powierzchniowo czynny (surfaktant) służy do ochrony siarki przed rozpuszczeniem. Ponieważ środek powierzchniowo czynny jest kationowy (to znaczy jest przyciągany do powierzchni warstwy siarki), nie zapobiega reakcji anionów litu z siarką, ale nie pozwala na rozpuszczenie utworzonych w tym przypadku polisiarczków w elektrolicie, utrzymując je pod jego warstwą. Opracowano również nowy elektrolit oparty na cieczy jonowej, w której polisiarczki nie rozpuszczają się. Ciecz jonowa i dużo bezpieczniejsza - nie pali się i prawie nie odparowuje.
W wyniku wszystkich opisanych innowacji wydajność baterii jest znacznie zwiększona. Jego początkowa energia właściwa wynosi 500 W*h/kg, czyli ponad dwukrotnie więcej niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Po 1500 20-godzinnych cyklach rozładowania-ładowania (C = 0,05) jego energia właściwa spadła do poziomu świeżego akumulatora Li-ion. Po 1500 cyklach 1-godzinnych (C = 1) spadek wyniósł 40-50%, ale akumulator nadal działał. Gdy akumulator był testowany przy dużej mocy, poddając go 10-minutowemu cyklowi rozładowania-ładowania (C=6), nawet po 150 takich cyklach, jego energia właściwa przewyższała energię świeżego akumulatora Li-ion.
Szacunkowa cena takiego akumulatora Li-S nie przekroczy 100 USD za każdą kWh pojemności. Wiele innowacji zaproponowanych przez zespół badawczy Berkeley można wykorzystać do ulepszenia istniejących akumulatorów litowo-jonowych. Aby stworzyć praktyczny projekt baterii LiS, programiści poszukują partnerów, którzy sfinansują ostateczny rozwój baterii.
Baterie tytanowo-litowe
Największym problemem nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych jest niska wydajność, przede wszystkim ze względu na fakt, że materiały magazynujące energię zajmują tylko 25% objętości akumulatora. Pozostałe 75% to materiały obojętne: obudowa, folie przewodzące, klej itp. Z tego powodu nowoczesne akumulatory są zbyt nieporęczne i drogie. Nowa technologia wiąże się ze znaczną redukcją materiałów „odpadowych” w projektowaniu baterii.
Najnowsze akumulatory litowo-tytanowe pomogły przezwyciężyć kolejną wadę akumulatorów litowo-jonowych – ich kruchość i czas ładowania. W trakcie badań stwierdzono, że podczas ładowania dużymi prądami jony litu zmuszone są „przebrnąć” pomiędzy mikropłytkami grafitowymi, tym samym stopniowo niszcząc elektrody. Dlatego grafit w elektrodach został zastąpiony strukturami nanocząstek tytanianu litu. Nie zakłócają ruchu jonów, co ostatecznie doprowadziło do fantastycznego wydłużenia żywotności – ponad 15 000 cykli w ciągu 12 lat! Czas ładowania został skrócony z 6-8 godzin do 10-15 minut. Dodatkowe zalety to stabilność termiczna i mniejsza toksyczność.
Eksperci szacują, że nowe akumulatory będą miały dwukrotnie większą gęstość energii niż najlepsze dostępne obecnie akumulatory litowo-jonowe. Dzięki temu przy stałym zasięgu samochodu elektrycznego jego akumulator będzie lżejszy, a przy tej samej wadze zasięg znacznie się zwiększy. Jeśli nowy akumulator będzie mógł zostać wprowadzony do produkcji, przebieg kompaktowych pojazdów elektrycznych (które nie mogą być wyposażone w duży, ciężki akumulator) wzrośnie średnio ze 150 km do 300 km na jednym ładowaniu. Jednocześnie nowe akumulatory będą o połowę tańsze od obecnych – tylko 250 USD za kW/h.
Akumulatory litowo-powietrzne
Technologia nie stoi w miejscu, a naukowcy już pracują nad stworzeniem praktycznego projektu baterii litowo-powietrznej (LiO 2). Jego teoretyczna pojemność energetyczna jest 8-10 razy większa niż litowo-jonowa. W celu zmniejszenia masy baterii przy zachowaniu, a nawet zwiększeniu jej pojemności, naukowcy zaproponowali radykalne rozwiązanie – odrzucenie tradycyjnej katody: lit będzie oddziaływał bezpośrednio z tlenem z powietrza. Dzięki katalitycznej katodzie powietrznej oczekuje się nie tylko zwiększenia pojemności energetycznej akumulatora, ale także zmniejszenia jego objętości i wagi o prawie taką samą ilość.
Do masowej produkcji technologia litowo-powietrzna wymaga rozwiązania wielu problemów technicznych i naukowych, w tym stworzenia efektywnego katalizatora, anody litowej oraz stabilnego elektrolitu stałego zdolnego do pracy w niskich temperaturach (do -50C). Ponadto konieczne jest opracowanie techniki nakładania katalizatora na powierzchnię katody, stworzenie membrany zapobiegającej wnikaniu tlenu do anody litowej, a także opracowanie metod wytwarzania specjalnych porowatych elektrod.
Wyobraź sobie telefon komórkowy, który ładuje się przez ponad tydzień, a następnie ładuje się w 15 minut. Fantastyczny? Ale może stać się rzeczywistością dzięki nowym badaniom naukowców z Northwestern University (Evanston, Illinois, USA). Zespół inżynierów opracował elektrodę do akumulatorów litowo-jonowych (stosowanych obecnie w większości telefonów komórkowych), która dziesięciokrotnie zwiększyła ich pojemność energetyczną. Przyjemne niespodzianki nie ograniczają się do tego – nowe urządzenia akumulatorowe są w stanie ładować się 10 razy szybciej niż obecne.
Aby przezwyciężyć ograniczenia nałożone przez istniejące technologie na pojemność energetyczną i szybkość ładowania baterii, naukowcy zastosowali dwa różne podejścia inżynierii chemicznej. Powstały akumulator nie tylko wydłuży czas działania małych urządzeń elektronicznych (takich jak telefony i laptopy), ale także utoruje drogę do rozwoju bardziej wydajnych i kompaktowych akumulatorów do pojazdów elektrycznych.
„Znaleźliśmy sposób na 10-krotne wydłużenie czasu retencji nowej baterii litowo-jonowej” – powiedział profesor Harold H. Kung, jeden z głównych autorów badania. „Nawet po 150 sesjach ładowania/rozładowania, co oznacza co najmniej rok pracy, pozostaje pięć razy wydajniejszy niż akumulatory litowo-jonowe dostępne obecnie na rynku”.
Działanie baterii litowo-jonowej opiera się na reakcji chemicznej, w której jony litu przemieszczają się między anodą a katodą umieszczoną na przeciwległych końcach baterii. Podczas pracy akumulatora jony litu migrują z anody przez elektrolit do katody. Podczas ładowania ich kierunek jest odwrócony. Obecnie istniejące baterie mają dwa ważne ograniczenia. Ich pojemność energetyczna – to znaczy czas, w którym bateria może utrzymać ładunek – jest ograniczona gęstością ładunku lub liczbą jonów litu, które mogą być umieszczone na anodzie lub katodzie. Jednocześnie szybkość ładowania takiego akumulatora jest ograniczona szybkością, z jaką jony litu są w stanie przejść przez elektrolit do anody.
W obecnych akumulatorach anoda składająca się z wielu arkuszy grafenu może mieć tylko jeden atom litu na każde sześć atomów węgla (z których składa się grafen). Próbując zwiększyć pojemność energetyczną baterii, naukowcy eksperymentowali już z zastąpieniem węgla krzemem, który może pomieścić znacznie więcej litu: cztery atomy litu na każdy atom krzemu. Jednak podczas ładowania krzem gwałtownie się rozszerza i kurczy, co powoduje fragmentację substancji anodowej i w efekcie szybką utratę zdolności ładowania akumulatora.
Obecnie niski wskaźnik ładowania baterii tłumaczy się kształtem arkuszy grafenowych: w porównaniu z grubością (stanowiących tylko jeden atom) ich długość jest zaporowo duża. Podczas ładowania litowo-jonowy musi dotrzeć do zewnętrznych krawędzi arkuszy grafenowych, a następnie przejść między nimi i zatrzymać się gdzieś w środku. Ponieważ lit potrzebuje dużo czasu, aby dotrzeć do środka arkusza grafenowego, na krawędziach obserwuje się coś w rodzaju zatoru jonowego.
Jak wspomniano, zespół badawczy Kuonga rozwiązał oba te problemy, stosując dwie różne technologie. Po pierwsze, aby zapewnić stabilność krzemu, a tym samym utrzymać maksymalną pojemność ładowania baterii, umieścili klastry krzemu pomiędzy arkuszami grafenu. Umożliwiło to zwiększenie liczby jonów litu w elektrodzie, przy jednoczesnym wykorzystaniu elastyczności arkuszy grafenowych do uwzględnienia zmian objętości krzemu podczas ładowania/rozładowywania akumulatora.
„Teraz zabijamy oba ptaki jednym kamieniem” — mówi Kung. „Dzięki krzemowi uzyskujemy wyższą gęstość energii, a przeplatanie warstw zmniejsza straty mocy spowodowane rozszerzaniem/kurczeniem się krzemu. Nawet przy zniszczeniu klastrów krzemowych sam krzem nie pójdzie nigdzie indziej.”
Ponadto naukowcy wykorzystali proces utleniania chemicznego do stworzenia miniaturowych (10-20 nanometrów) otworów w arkuszach grafenu („defekty w płaszczyźnie”), które zapewniają jonom litu „szybki dostęp” do wnętrza anody, a następnie przechowywanie w nim w wyniku reakcji z krzemem. Skróciło to czas potrzebny do ładowania akumulatora o 10 razy.
Do tej pory wszelkie wysiłki zmierzające do optymalizacji wydajności baterii koncentrowały się na jednym z ich elementów – anodzie. W kolejnym etapie badań naukowcy planują w tym samym celu zbadać zmiany w katodzie. Ponadto chcą zmodyfikować układ elektrolityczny, aby akumulator mógł automatycznie (i odwracalnie) wyłączać się w wysokich temperaturach – podobny mechanizm ochronny może się przydać podczas korzystania z akumulatorów w pojazdach elektrycznych.
Według twórców, w obecnej formie nowa technologia powinna wejść na rynek w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat. W czasopiśmie „Advanced Energy Materials” ukazał się artykuł na temat wyników badań i rozwoju nowych akumulatorów.
Z roku na rok liczba urządzeń na świecie zasilanych akumulatorami stale rośnie. Nie jest tajemnicą, że baterie to najsłabsze ogniwo nowoczesnych urządzeń. Muszą być regularnie ładowane, nie mają tak dużej pojemności. Istniejące akumulatory z trudem pozwalają na kilkudniową autonomiczną pracę tabletu lub komputera mobilnego.
Dlatego dziś producenci pojazdów elektrycznych, tabletów i smartfonów szukają sposobów na przechowywanie znacznych ilości energii w bardziej kompaktowych pojemnościach samego akumulatora. Pomimo różnych wymagań dotyczących akumulatorów do pojazdów elektrycznych i urządzeń mobilnych, można łatwo nakreślić podobieństwa między nimi. W szczególności słynny samochód elektryczny Tesla Roadster jest zasilany akumulatorem litowo-jonowym opracowanym specjalnie do laptopów. To prawda, że aby zapewnić energię elektryczną samochodowi sportowemu, inżynierowie musieli jednocześnie zużywać ponad sześć tysięcy takich akumulatorów.
Niezależnie od tego, czy jest to pojazd elektryczny, czy urządzenie mobilne, uniwersalne wymagania dotyczące akumulatora przyszłości są jasne — musi być mniejszy, lżejszy i przechowywać znacznie więcej energii. Jakie obiecujące rozwiązania w tej dziedzinie mogą spełnić te wymagania?
Akumulatory litowo-jonowe i litowo-polimerowe
Akumulator litowo-jonowy do aparatu
Obecnie w urządzeniach mobilnych najszerzej stosowane są baterie litowo-jonowe i litowo-polimerowe. Jeśli chodzi o akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion), to są one produkowane od początku lat 90-tych. Ich główną zaletą jest dość duża gęstość energii, czyli możliwość przechowywania określonej ilości energii na jednostkę masy. Ponadto takie akumulatory nie mają znanego „efektu pamięci” i mają stosunkowo niski poziom samorozładowania.
Użycie litu jest całkiem rozsądne, ponieważ pierwiastek ten ma wysoki potencjał elektrochemiczny. Wadą wszystkich akumulatorów litowo-jonowych, których w rzeczywistości jest wiele typów, jest dość szybkie starzenie się akumulatora, czyli gwałtowny spadek wydajności podczas przechowywania lub długotrwałego użytkowania akumulatora. Ponadto potencjał pojemności nowoczesnych akumulatorów litowo-jonowych wydaje się być prawie wyczerpany.
Dalszy rozwój technologii litowo-jonowej to zasilacze litowo-polimerowe (Li-Pol). Używają stałego materiału zamiast ciekłego elektrolitu. W porównaniu do swojego poprzednika akumulatory litowo-polimerowe mają wyższą gęstość energii. Ponadto możliwe było teraz wytwarzanie baterii o niemal dowolnym kształcie (technologia litowo-jonowa wymagała jedynie cylindrycznej lub prostokątnej obudowy). Takie baterie są niewielkich rozmiarów, co pozwala z powodzeniem stosować je w różnych urządzeniach mobilnych.
Pojawienie się akumulatorów litowo-polimerowych nie zmieniło jednak zasadniczo sytuacji, w szczególności dlatego, że akumulatory te nie są w stanie dostarczać wysokich prądów rozładowania, a ich pojemność właściwa jest wciąż niewystarczająca, aby uchronić ludzkość przed koniecznością ciągłego doładowywania urządzeń mobilnych. Dodatkowo akumulatory litowo-polimerowe są dość „kapryśne” w działaniu, mają niewystarczającą wytrzymałość i skłonność do zapalania się.
Zaawansowane technologie
W ostatnich latach naukowcy i badacze z różnych krajów aktywnie pracowali nad stworzeniem bardziej zaawansowanych technologii bateryjnych, które w niedalekiej przyszłości mogą zastąpić istniejące. W związku z tym można zidentyfikować kilka najbardziej obiecujących obszarów:
- Baterie litowo-siarkowe (Li-S)
Akumulator litowo-siarkowy to obiecująca technologia, pojemność energetyczna takiego akumulatora jest dwukrotnie większa niż akumulatora litowo-jonowego. Ale teoretycznie mógłby być jeszcze wyższy. W takim źródle prądu zastosowano ciekłą katodę z zawartością siarki, która jest oddzielona od elektrolitu specjalną membraną. To dzięki wzajemnemu oddziaływaniu anody litowej i katody zawierającej siarkę znacznie wzrosła pojemność właściwa. Pierwsza próbka takiej baterii pojawiła się w 2004 roku. Od tego czasu poczyniono pewne postępy, dzięki którym ulepszona bateria litowo-siarkowa jest w stanie wytrzymać półtora tysiąca pełnych cykli ładowania i rozładowania bez poważnych strat pojemności.
Zaletami tej baterii są również możliwość stosowania w szerokim zakresie temperatur, brak konieczności stosowania wzmocnionych elementów zabezpieczających oraz stosunkowo niski koszt. Ciekawostka - to dzięki zastosowaniu takiego akumulatora w 2008 roku ustanowiono rekord długości lotu na samolocie zasilanym bateriami słonecznymi. Ale do masowej produkcji baterii litowo-siarkowej naukowcy wciąż muszą rozwiązać dwa główne problemy. Wymagane jest znalezienie efektywnego sposobu wykorzystania siarki, a także zapewnienie stabilnej pracy źródła prądu w warunkach zmiennych warunków temperaturowych lub wilgotnościowych.
- Akumulatory Magnezowo-Siarkowe (Mg/S)
Baterie oparte na połączeniu magnezu i siarki mogą również ominąć tradycyjne baterie litowe. To prawda, do niedawna nikt nie mógł zapewnić interakcji tych elementów w jednej komórce. Sam akumulator magnezowo-siarkowy prezentuje się bardzo ciekawie, bo jego gęstość energetyczna może wzrosnąć nawet do ponad 4000 Wh/l. Nie tak dawno temu, dzięki amerykańskim naukowcom, najwyraźniej udało się rozwiązać główny problem związany z rozwojem baterii magnezowo-siarkowych. Faktem jest, że dla pary magnezu i siarki nie było odpowiedniego elektrolitu kompatybilnego z tymi pierwiastkami chemicznymi.
Jednak naukowcom udało się stworzyć tak akceptowalny elektrolit dzięki tworzeniu się specjalnych cząstek krystalicznych, które zapewniają stabilizację elektrolitu. Próbka akumulatora magnezowo-siarkowego zawiera anodę magnezową, separator, katodę siarkową i nowy elektrolit. To jednak dopiero pierwszy krok. Obiecująca próbka niestety nie różni się jeszcze trwałością.
- Akumulatory fluorkowo-jonowe
Kolejne interesujące źródło zasilania, które pojawiło się w ostatnich latach. Tutaj za przenoszenie ładunku między elektrodami odpowiadają aniony fluoru. W tym przypadku anoda i katoda zawierają metale, które są przekształcane (zgodnie z kierunkiem prądu) na fluorki lub redukowane z powrotem. Zapewnia to znaczną pojemność baterii. Naukowcy twierdzą, że takie zasilacze mają gęstość energii dziesiątki razy większą niż możliwości akumulatorów litowo-jonowych. Oprócz znacznej pojemności nowe akumulatory charakteryzują się również znacznie mniejszym zagrożeniem pożarowym.
Wypróbowano wiele opcji jako podstawy stałego elektrolitu, ale ostatecznie wybór padł na lantan barowy. Chociaż technologia jonów fluorkowych wydaje się być bardzo obiecującym rozwiązaniem, nie jest pozbawiona wad. W końcu stały elektrolit może działać stabilnie tylko w wysokich temperaturach. Dlatego badacze stają przed zadaniem znalezienia ciekłego elektrolitu, który może z powodzeniem pracować w zwykłej temperaturze pokojowej.
- Akumulatory litowo-powietrzne (Li-O2)
W dzisiejszych czasach ludzkość dąży do wykorzystywania „czystszych” źródeł energii związanych z pozyskiwaniem energii ze słońca, wiatru czy wody. Pod tym względem akumulatory litowo-powietrzne wydają się być bardzo interesujące. Przede wszystkim przez wielu ekspertów uważane są za przyszłość pojazdów elektrycznych, ale z czasem mogą znaleźć zastosowanie w urządzeniach mobilnych. Zasilacze te mają bardzo duże pojemności i są stosunkowo niewielkie. Zasada ich działania jest następująca: zamiast tlenków metali w elektrodzie dodatniej stosuje się węgiel, który wchodzi w reakcję chemiczną z powietrzem, w wyniku której powstaje prąd. Oznacza to, że tlen jest częściowo wykorzystywany do wytwarzania energii.
Zastosowanie tlenu jako materiału aktywnego katody ma swoje istotne zalety, ponieważ jest to pierwiastek prawie niewyczerpalny, a co najważniejsze jest pobierany ze środowiska całkowicie bezpłatnie. Uważa się, że gęstość energii akumulatorów litowo-powietrznych może osiągnąć imponujące 10 000 Wh/kg. Być może w niedalekiej przyszłości takie akumulatory będą w stanie zrównać samochody elektryczne z samochodami na benzynę. Nawiasem mówiąc, baterie tego typu, wypuszczane do mobilnych gadżetów, można już znaleźć w sprzedaży pod nazwą PolyPlus.
- Baterie litowo-nanofosforanowe
Zasilacze litowo-nanofosforanowe to następna generacja akumulatorów litowo-jonowych o wysokiej wydajności prądowej i ultraszybkim ładowaniu. Pełne naładowanie takiej baterii zajmuje tylko piętnaście minut. Umożliwiają również dziesięciokrotnie dłuższe cykle ładowania w porównaniu ze standardowymi ogniwami litowo-jonowymi. Cechy te osiągnięto dzięki zastosowaniu specjalnych nanocząstek zdolnych do zapewnienia intensywniejszego strumienia jonów.
Zaletami akumulatorów litowo-nanofosforanowych są również niskie samorozładowanie, brak „efektu pamięci” oraz możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur. Baterie litowo-nanofosforanowe są już dostępne na rynku i są stosowane w niektórych typach urządzeń, ale ich rozprzestrzenianie jest utrudnione przez potrzebę specjalnej ładowarki i większą wagę w porównaniu z nowoczesnymi bateriami litowo-jonowymi lub litowo-polimerowymi.
W rzeczywistości istnieje znacznie więcej obiecujących technologii w dziedzinie tworzenia akumulatorów. Naukowcy i badacze pracują nie tylko nad stworzeniem całkowicie nowych rozwiązań, ale także nad poprawą wydajności istniejących akumulatorów litowo-jonowych. Na przykład poprzez zastosowanie nanodrutów krzemowych lub opracowanie nowej elektrody o wyjątkowej zdolności do „samonaprawiania”. W każdym razie nie jest odległy dzień, w którym nasze telefony i inne urządzenia mobilne będą żyć tygodniami na jednym ładowaniu.