Znajdź zawartość

Akumulator opracowany przez Nanotek Instruments ma wszelkie szanse stać się przełomowym urządzeniem na rynku pojazdów elektrycznych. Specjaliści zaprojektowali urządzenie przechowujące energie, która jest w stanie bardzo szybko uwięzić dużą liczbę jonów litu pomiędzy elektrodami, których działania wspomagają duże ilości grafenu. Naładowanie takiego akumulatora, który mógłby napędzać samochody elektryczne, może trwać mniej niż minutę. Urządzenie przyda się również np. do przechowywania energii ze źródeł odnawialnych. Wynalazcy nazwali je „surface-mediate cells" (SMCs). Już w tej chwili, mimo, że materiały oraz konstrukcja urządzenia nie zostały zoptymalizowane, charakteryzuje się ono osiągami przewyższającymi zarówno konstrukcje litowo-jonowe jak i superkondensatory. Gęstość mocy urządzenia wynosi 100 kW/kg, jest zatem 100-krotnie większa od baterii litowo-jonowych i 10-krotnie przekracza możliwości superkondensatorów. Im większa zaś jest gęstość mocy, tym szybszy transfer energii, a co za tym idzie - tym krótsze czasy ładowania. Ponadto gęstość energii - czyli ilość energii, którą można przechowywać w danej objętości lub masie - sięga 160 Wh/kg. Jest więc porównywalna z gęstością baterii litowo-jonowych i 30 razy większa od gęstości konwencjonalnych superkondensatorów. Jeśli porównamy SMC i baterie litowo-jonowe o tej samej wadze, to napędzany nimi samochód elektryczny będzie mógł przejechać mniej więcej taką samą trasę na pojedynczym ładowaniu. Nasze SMCs, podobnie jak współczesne urządzenia litowo-jonowe, mogą być jeszcze ulepszone pod względem gęstości energii. Jednak SMC mogą być ładowane w ciągu minut (prawdopodobnie w mniej niż minutę), a akumulatory litowo-jonowe wymagają godzin ładowania - mówi Bor Z. Jang, współzałożyciel Nanotek Instruments. Nanotek i jego firma-córka, Angstron Materials, która współpracowała przy SMC, specjalizują się w badaniach nad nanometeriałami. Angston to największy na świecie producent płytek nanografenowych (NGP). Jak widzimy, SMC łączą zalety baterii i superkondensatorów. Te pierwsze charakteryzują się większą gęstością energetyczną, te drugie - większą gęstością mocy. Nanotek i Angstron stworzyły nową architekturę urządzenia do przechowywania energii, która potencjalnie może zrewolucjonizować przemysł samochodowy. Kluczem do sukcesu są anoda i katoda wyposażone w olbrzymie powierzchnie grafenowe. Podczas produkcji naukowcy umieścili na anodzie metaliczny lit (w postaci cząsteczek lub folii). W czasie pierwszego rozładowania, dochodzi do jonizacji litu, w wyniku czego pojawia się znacznie większa liczba jonów niż w urządzeniach litowo-jonowych. W czasie pracy urządzenia jony migrują poprzez płynny elektrolit do katody. Z kolei podczas ładowania, olbrzymia liczba jonów litu szybko przechodzi od katody do anody. Dzięki wielkiej powierzchni obu elektrod możliwe jest szybkie przesyłanie dużych ilości jonów. Dzięki temu, że jony litu przemieszczają się pomiędzy porowatymi powierzchniami elektrod udało się wyeliminować czasochłonny proces interkalacji. Naukowcy prowadzili badania z różnymi rodzajami grafenu i mówią, że konieczne są dalsze eksperymenty. Chcą teraz przede wszystkim skupić się na zwiększeniu żywotności swojego urządzenia. Dotychczasowe badania wykazały, że może ono zachować 95% pojemności po 1000 cykli ładowania/rozładowania, a nawet po 2000 cykli nie zauważono, by dochodziło do powstawania zmniejszających pojemność akumulatorów kryształów dendrytycznych. Nie widzimy żadnych poważniejszych przeszkód, które mogłyby uniemożliwić komercjalizację technologii SMC. Chociaż grafen jest obecnie drogi, to Angstron Materials pracuje nad technologiami umożliwiającymi jego produkcję na skalę przemysłową. Przewidujemy, że w ciągu najbliższych 1-3 lat jego cena dramatycznie spadnie - mówi Jang.

Baterie litowo-jonowe są powszechnie wykorzystywane w wielu otaczających nas urządzeniach, trafiają też to samochodów elektrycznych. Jednak technologia ta zbliża się do granicy, poza którą nieopłacalne stanie się zwiększanie pojemności tego typu urządzeń. Standardowa bateria litowo-jonowa korzysta z grafitowej anody oraz katody z tlenku litu i kobaltu. Głównym czynnikiem ograniczającym gęstość energii tych baterii jest katoda. Każdy chce zwiększyć ilość litu, dzięki czemu zwiększy się ilość przechowywanej energii - mówi profesor Peter Bruce z University of St. Andrews w Wielkiej Brytanii. Problem w tym, że wraz ze zwiększaniem katody, zwiększą się rozmiary i waga baterii. Rozwiązaniem problemu jest, zdaniem Bruce'a, zapożyczenie pomysłu z baterii cynkowo-tlenowych. Tego typu baterie, używane w aparatach słuchowych, działają dzięki reakcji cynku z tlenem z powietrza. Bruce ze swoim zespołem stworzyli więc baterię, w której wyeliminowano tradycyjną katodę, zastępując ją lekkim porowatym węglem. Podczas pracy, tlen z powietrza przechodzi przez membranę do porowatego węgla, gdzie reaguje z jonami litu z elektrolitu oraz elektronami z zewnętrznego obwodu, tworząc stały tlenek litu, który wypełnia pory w węglu. Podczas ładowania baterii, tlenek litu ulega rozpadowi, jony litu wracają do elektrolitu, tlen zostaje uwolniony do atmosfery, a pory w węglu znowu są otwarte. Dzięki temu, że jeden z elementów koniecznych do reakcji - tlen - jest pobierany z zewnątrz baterii, w samym urządzeniu nie trzeba zamykać wszystkiego, co potrzebne do jej pracy. To czyni ją lżejszą. Już w tej chwili prototypowa bateria zespołu Bruce'a jest w stanie przechować 400 miliamperogodzin na gram wagi. To ośmiokrotnie więcej niż baterie używane obecnie w telefonach komórkowych. Możliwe jest jeszcze większe upakowanie energii tak, by było jej 10-krotnie więcej, niż w bateriach litowo-jonowych. Profesor Bruce mówi jednak, że w przyszłości, gdy baterie litowo-jonowe zostaną udoskonalone, jego bateria będzie oferowała tylko dwukrotnie lepszą pojemność. Teraz zespół Bruce'a pracuje nad stworzeniem nie prototypu, a funkcjonującej baterii litowo-powietrznej.