Baterie nowej generacji – przyszłość mobilności

Urządzenia, które używamy na co dzień stają się z każdym rokiem mniejsze, szybsze i tańsze – no, może z niechlubnym wyjątkiem baterii. Oprócz bowiem możliwości wyjątkowo energooszczędnych smartfonów, które pracować mogą niekiedy przez kilka dni bez konieczności ładowania, to wyzwania związane z lepszymi bateriami są czynnikiem powstrzymującym  powszechne wprowadzenie dwóch głównych czystych technologii: samochodów elektrycznych i magazynowania na dużą skalę energii elektrycznej pozyskiwanej ze źródeł naturalnych. Naukowcy opracowali laboratoryjną wersję demonstracyjną akumulatora litowo – tlenowego, posiadającego bardzo wysoką gęstość energii i sprawność większą niż 90%, którego można ładować ponad 2000 razy. Z jego pomocą zobrazowali sposób rozwiązania problemów powstrzymujących praktyczny rozwój tych urządzeń. Litowo – tlenowe lub litowo – powietrzne baterie były uznawane jako “najlepsze” ze względu na ich teoretyczną gęstość energii, która jest dziesięć razy większa od baterii litowo – jonowej. Tak wysoka gęstość energii byłaby porównywalna z benzyną i umożliwiłaby elektrycznym samochodom  z akumulatorem – który stanowiłby piątą cześć kosztu i wagi obecnych na rynku pojazdów – podróż z Londynu do Edynburga (ca. 700 km.) na jednym ładowaniu. Jednak, podobnie jak to jest w przypadku innych baterii nowej generacji, istnieje kilka praktycznych wyzwań, które należy rozwiązać, zanim baterie litowo – powietrzne staną się realną alternatywą dla benzyny. Naukowcy z Uniwersytetu w Cambridge pokazali, jak rozwiązać można niektóre z tych problemów i opracowali laboratorium demonstracyjne na bazie akumulatora litowo – tlenowego, który posiada większą pojemność, większą sprawność energetyczną i większą stabilność w porównaniu z poprzednimi modelami próbnymi. Egzemplarz pokazowy posiada elektrodę węglową o bardzo dużej porowatości, wykonaną z grafenu oraz dodatków, które podczas reakcji chemicznych czynią baterię stabilniejszą i bardziej wydajną. Chociaż wyniki przedstawione w czasopiśmie „Science”, są obiecujące, to jednak naukowcy ostrzegają, że do praktycznego zastosowania akumulatora litowo – powietrznego nadal pozostało co najmniej dziesięć lat. „Udało nam się osiągnąć znaczący postęp w tej technologii i chociaż znaleźliśmy zupełnie nowe obszary badań, to nie rozwiązaliśmy jak dotąd wszystkich problemów związanych z zachodzącymi w nich procesami chemicznymi. Wyniki nasze wytyczają jednak kierunki działania w celu praktycznego zastosowania urządzenia,” twierdzi profesor Clare Grey z Departamentu Chemii Uniwersytetu w Cambridge. “W swojej najprostszej formie, baterie wykonane są z trzech elementów: elektrody dodatniej, ujemnej i elektrolitu,” powiedział dr Tao Liu, również z Departamentu Chemii tego uniwersytetu. W litowo-jonowych (Li – ion) bateriach używanych w naszych laptopach i smartfonach, elektroda ujemna wykonana jest z grafitu (forma węgla) elektroda dodatnia natomiast z tlenku metalu, takiego jak tlenek  litowo – kobaltowy, elektrolitem zaś jest tu sól litu w rozpuszczalniku organicznym. Działanie baterii zależy od przepływu jonów litu między elektrodami. Akumulatory Li-ion są lekkie, ale ich pojemność pogarsza się wraz z wiekiem, a stosunkowo niska gęstość energii oznacza, że trzeba je często ładować. W ciągu ostatniej dekady, naukowcy rozwijali różne alternatywy dla akumulatorów litowo – jonowych. Litowo – powietrzne baterie są uważane jak dotychczas za najwyższe osiągnięcie wśród sposobów magazynowania energii elektrycznej z uwagi na bardzo wysoką ich gęstość. Poprzednie egzemplarze demonstracyjne tych baterii miały jednak szereg istotnych wad takich jak niską sprawność, słabą wydajność przepływu, czy niepożądane reakcje chemiczne. To co Liu, Grey i ich współpracownicy opracowali, wykorzystuje odmienne od wcześniejszych prób reakcje chemiczne w pozbawionym wody litowo-powietrznym środowisku. Zastosowano tu wodorotlenek litu (LiOH), zamiast nadtlenku litu (Li₂O₂). Dodanie wody i użycie jodku litu jako “mediatora”, spowodowało, że bateria wykazała znacznie mniej niekorzystnych reakcji chemicznych, powodujących jej ostateczne rozładowanie i jest znacznie stabilniejsza nawet po wielu cyklach ładowania i rozładowania. Poprzez precyzyjną inżynierię struktury elektrody, polegającą na zastosowaniu wysoce porowatego grafenu, dodanie jodku litu i zmianę składu chemicznego elektrolitu, badacze byli w stanie zmniejszyć “szczelinę napięcia” między ładowaniami i rozładowaniami do 0,2 woltów. Im mniejsza zaś „szczelina napięcia” tym bardziej wydajny akumulator. W wersjach poprzednich litowo – powietrznych akumulatorów udało się zejść do 0,5 – 1,0 V. Wynik 0,2 V jest bliższy akumulatorowi litowo – jonowemu, ale w odróżnieniu od niego ma  już sprawność energetyczną 93%. Porowata elektroda grafenu znacznie zwiększa także pojemność demonstrowanego urządzenia, choć jak na razie tylko dla określonego stopnia ładowania i rozładowania. Innymi kwestiami, które wciąż muszą być rozwiązane pozostaje znalezienie sposobu ochrony metalowej elektrody tak, by nie tworzyły się wrzecionowate litowe włókna metalowe zwane dendrytami, które mogą spowodować eksplozję baterii, gdy urosną zbyt wielkie i spowodują zwarcie. Kolejnym problemem jest fakt, że demonstrowane urządzenie może pracować tylko w środowisku czystego tlenu, podczas gdy powietrze w naszym otoczeniu zawiera dwutlenek węgla, azot, wodę i szereg innych substancji chemicznych, z których prawie wszystkie są zasadniczo szkodliwe dla metalowej elektrody. “Jest jeszcze wiele do zrobienia”, stwierdził Liu. “Ale to, co widzieliśmy tutaj udowadnia, że istnieją sposoby rozwiązania tych problemów i być może potrzebujemy tylko nieco odmiennego i świeżego spojrzenia na nie”. “Wprawdzie  potrzeba jeszcze wiele badań podstawowych, by dopracować niektóre szczegóły, to jednak obecne wyniki są już bardzo ekscytujące – chociaż ciągle jesteśmy w fazie rozwoju, to jednak pokazaliśmy, że istnieją rozwiązania trudnych problemów związanych z tą technologią, “stwierdził Grey.

Źródło: Materiały University of Cambridge