Akumulatory przyszłości

Działa, działa i wciąż działa... Akumulatory powstające w laboratoriach badawczych mają dziesięciokrotnie wydłużyć pracę urządzeń mobilnych i uczynić elektryczne auta konkurencyjnymi. Pytanie brzmi: kiedy?

Gra o wynalezienie nowych, wydajniejszych akumulatorów to gra o wysoką stawkę – bez lepszych nośników energii współczesna elektronika będzie dreptać w miejscu. Nie będzie ekologicznych źródeł prądu ani elektrycznych samochodów dostępnych dla Kowalskiego, a zamiast tego wciąż będziemy zdani na urządzenia mobilne tylko z nazwy, które połowę okresu eksploatacji spędzają podłączone do ładowarek. Uogólnione prawo Moore’a będące drogowskazem dla całej branży IT głosi dwukrotny wzrost wydajności co dwa lata. W odniesieniu do niego rozwój ogniw chemicznych pozostaje coraz bardziej w tyle – wprawdzie pojemność akumulatorów litowo-jonowych stale rośnie, ale tylko o kilka procent w skali roku. Co prawda, nowe smartfony działają dłużej niż starsze, jednak jest to przede wszystkim zasługą optymalizacji pracy ich podzespołów i lepszych, bardziej energooszczędnych wyświetlaczy – same baterie przyczyniają się do tego jedynie w niewielkim stopniu.

Współczesną elektronikę konsumencką zdominowały ogniwa litowo-jonowe, przy niewielkiej masie zapewniające wysoką gęstość energii. Co roku miliardy takich ogniw trafiają nie tylko do urządzeń mobilnych, ale również do samochodów, np. firmy Tesla. Znalazły one zastosowanie również w największym w Europie magazynie energii zainstalowanym w niemieckim Schwerinie, służącym do przechowywania nadmiaru prądu wytwarzanego przez elektrownie wiatrowe. Możliwości rozwoju tej technologii nie są jednak nieograniczone.

Nowe materiały, lepsze ogniwa

W laboratoriach toczą się prace nad nowymi typami ogniw. Te, które mają największe szanse wejść na rynek w nieodległej przyszłości, nadal bazują na litowo-jonowym układzie chemicznym. W dłuższej perspektywie konieczne będzie jednak wykorzystanie zupełnie nowych rozwiązań. Być może ich źródłem będzie sama natura: w zaciszu uniwersytetów powstają pierwsze ogniwa organiczne. Zanim jednak przerodzą się one w dojrzałe produkty, ratunkiem dla złaknionej energii ludzkości mogą okazać się maleńkie ogniwa przetwarzające na prąd drgania czy ciepło ludzkiego ciała. W tym roku sprzedane zostaną ponad dwa miliardy urządzeń przenośnych, a każde z nich będzie wyposażone w akumulator litowo-jonowy. Ten rodzaj ogniw w ciągu kilku lat stał się standardem, między innymi za sprawą niskiej masy. Przy typowej gęstości energii od 150 do 200 watogodzin na kilogram (Wh/kg) ich pojemność jest jednak dziesięciokrotnie mniejsza niż potencjalnie możliwa do uzyskania przy zastosowaniu litu jako materiału anodowego. Przyczyna tego stanu leży w ograniczeniach materiałowych.

Pojemność ogniwa litowo-jonowego zależy od tego, jak wiele jonów litu daje się uwięzić w matrycy anodowej, którą dziś wykonuje się z grafitu. Wiadomo już jednak, że nie jest on materiałem najefektywniej wiążącym lit – znacznie lepiej sprawdza się w tej roli krzem. Dla porównania, do uwięzienia jednego jonu litu potrzeba sześciu atomów węgla, podczas gdy pojedynczy atom krzemu jest w stanie związać nawet cztery jony litu jednocześnie.

Krzem podnosi gęstość energii

Wzbogacenie węglowej matrycy krzemem pozwoliłoby radykalnie zwiększyć jej pojemność, ale jest pewna przeszkoda: łącząc się z litem, krzem zwiększa objętość trzy- albo nawet czterokrotnie, w ciągu

kilku cykli ładowania mechanicznie niszcząc misterną strukturę z grafitu. Rozwiązanie tego problemu obwieścił jakiś czas temu start-up Amprius założony przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda. Krążą pogłoski, że pierwsze masowo produkowane ogniwa tej firmy są montowane w urządzeniach mobilnych już od ubiegłego roku, jednak nie wiadomo, o jakie modele chodzi. Wiadomo za to, że problem niedostatecznej wytrzymałości grafitu można rozwiązać na trzy sposoby. Pierwszy wymaga zastosowania porowatego krzemu o strukturze gąbki. Po nasyceniu go litem jego objętość wzrasta tylko nieznacznie, dzięki czemu grafitowy stelaż nie ulega uszkodzeniu. Stosując to rozwiązanie, Amprius może budować akumulatory mieszczące o połowę więcej energii: 280 Wh/kg. Jeszcze większą gęstość energii zapewniają warstwy krzemowych nanorurek, pozwalające podnieść pojemność akumulatorów niemal dwukrotnie – do 350 Wh/kg. Krzem w postaci gąbki lub rurek wciąż musi być otoczony grafitem, gdyż w przeciwnym wypadku wszedłby w reakcję z elektrolitem.

Yi Ciu, profesor inżynierii materiałowej i techniczny mózg Ampriusa, niedawno przedstawił jednak trzecią metodę. Naukowiec zaproponował, by umieścić porcje cząsteczek krzemu w węglowych otoczkach, pozostawiając wokół nich wolną przestrzeń. Dzięki temu krzem może rozszerzać się, łącząc się z litem, i jednocześnie nie naruszać struktury z grafitu. Po 1000 cykli ładowania pojemność prototypowego akumulatora zmniejszyła się zaledwie o 3 proc. – to mniej niż w jakimkolwiek wcześniejszym ogniwie z elementami z krzemu.

Efektywniejsze układy chemiczne

Pojemność ogniw wynika z charakterystyki związków chemicznych, których reakcje doprowadzają do uwolnienia elektronów. Wykres po prawej stronie pokazuje, że inne kombinacje materiału anodowego

i katodowego teoretycznie mogą zapewnić znacznie większą gęstość energii od konwencjonalnych ogniw litowo-jonowych. Zwiększone możliwości ogniw litowo-siarkowych są zasługą modyfikacji elektrody dodatniej: podobnie jak krzem na anodzie, siarka na katodzie wiąże jony litu w korzystniejszych proporcjach. Istniejące prototypy takich ogniw charakteryzują się gęstością energii do 350 Wh/kg, przewyższając konwencjonalne konstrukcje, a to jeszcze nie koniec. Uzyskanie większej wydajności utrudniają dwa problemy. Po pierwsze maksymalną teoretyczną gęstość energii dałoby się uzyskać jedynie, budując anodę z czystego litu. To niełatwe zadanie, gdyż bardzo aktywny lit reaguje z elektrolitem. To samo dotyczy siarki tworzącej jony wielosiarczkowe, które następnie wędrują na anodę i wiążą lit w postaci stabilnego siarczku litu (Li2S). Dopóki nie wyeliminuje się tych reakcji, akumulator z siarkową anodą będzie w stanie przetrwać zaledwie kilka cykli ładowania. Naukowcom z Instytutu Fraunhofera udało się ochronić siarkę, umieszczając anodę oraz katodę w grafitowych otoczkach. Prototyp wytrzymał 2000 cykli ładowania, a badacze przewidują, że w 2020

roku pojawią się komercyjne ogniwa litowo-siarkowe o gęstości energii około 600 Wh/kg – trzykrotnie większej niż w dzisiejszych ogniwach litowo-jonowych. Nadzieje budzi też prototypowe ogniwo opracowane na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, wytrzymujące 1500 cykli ładowania przy gęstości energii 500 Wh/kg.

Układ metal-powietrze wiąże elektrony

Dotychczas ogniwa litowe musiały być hermetycznie zamknięte, aby metal nie reagował z tlenem atmosferycznym. Ta samorzutna reakcja jest podstawą działania ogniw metalowo-powietrznych: podczas ich rozładowywania atomy metalu z anody rozkładają się pod wpływem tlenu, oddając elektrony, i w formie jonów dodatnich przepływają przez elektrolit na katodę. Potencjalna gęstość energii jest znacznie wyższa niż w ogniwach litowo-jonowych i przekracza 1100 Wh/kg. Już od dziesiątek lat znane są akumulatory powietrzne z cynkiem jako materiałem anodowym, jednak podczas ich ładowania reakcjom ulega coraz mniejsza liczba atomów cynku. Aby zasoby aktywnego metalu pozostały na odpowiednim poziomie, z katody musi być odprowadzany tlen, żeby jony mogły na powrót przekształcić się w atomy cynku. Ponadto niezbędny jest specjalny katalizator, np. ług potasowy, a dopływ powietrza do anody musi być kontrolowany, aby nie dochodziło na niej do niechcianych reakcji.

Słabe ogniwa cynkowo-powietrzne o gęstości energii porównywalnej z tą w litowo-jonowych już dziś są montowane na przykład w aparatach słuchowych. Start-up Imprint Energy opracował nawet giętkie, drukowalne ogniwa z katalizatorem polimerowym, które świetnie sprawdzą się w urządzeniach mobilnych. Ponieważ ogniwa cynkowo-powietrzne wymagają dopływu tlenu, nie nadają się zbytnio do smartfonów czy notebooków, ale mogą znaleźć zastosowanie w elektrycznych samochodach przyszłości. Energia zmagazynowana w takich ogniwach może być przechowywana nawet całymi latami, co czyni je interesującymi również dla operatorów inteligentnych sieci elektroenergetycznych.

Wykorzystać siły natury

W obecnie produkowanych ogniwach stosuje się wyłącznie materiały elektrodowe w stałym stanie skupienia. Znane już od lat koncepcje ogniw przepływowych zakładają zastąpienie ich płynami: roztworami soli metali krążącymi równolegle w osobnych obiegach. Pompy wymuszają przepływ cieczy wzdłuż przepuszczalnej membrany, przez którą następuje wymiana jonów połączona z uwalnianiem elektronów. Takie ogniwo może być ładowane stopniowo poprzez podłączenie go do zewnętrznego źródła prądu albo błyskawicznie w wyniku fizycznej wymiany reagentów. Dzięki temu elektryczne auto można byłoby tankować tak jak dziś konwencjonalne samochody, jednocześnie pozostawiając zużytą ciecz do ponownego przetworzenia.

Pojazd napędzany w ten sposób zaprezentowała niedawno firma nanoFLOWCELL. Z jej symulacji wynika, że mógłby on przejechać bez ładowania około 600 kilometrów, czerpiąc reagenty z ogromnych, 400-litrowych zbiorników. Pojazd prawdopodobnie nigdy nie wejdzie jednak do masowej produkcji, gdyż na rozwiązanie wciąż czekają dwa problemy związane z ogniwami przepływowymi: wymagają one stosowania drogich i trujących materiałów takich jak wanad, a ponadto wciąż nie opracowano wystarczająco wytrzymałych membran.

Rozwiązania wspomnianych problemów wciąż nie wyszły poza laboratoria. Na MIT zbudowano ogniwo pozbawione membrany, w którym przepływ laminarny reagentów uniemożliwia im mieszanie

się podczas wymiany jonów. Taka konstrukcja pozwoliła naukowcom zastosować w ogniwie brom, który podczas jego rozładowywania ulega redukcji do bromowodoru – kwasu, którego działania nie wytrzymałaby żadna membrana. Pozwala to dwukrotnie podnieść i tak wysoką gęstość energii ogniw przepływowych.

Bioogniwa przyszłości

Do roli nośników energii świetnie nadają się materiały organiczne, które są przy okazji tanie i z reguły nietrujące. Badacze z Harvardu zdołali opracować ogniwo przepływowe oparte na chinonie AQDS, naturalnie występującym w rabarbarze. Niestety, nie udało im się wyeliminować szkodliwego bromu, za to ich ogniwo osiągnęło gęstość energii 6000 W/m2 – wielokrotnie wyższą niż w przepływowym ogniwie wanadowym (800 W/m2). Zmniejszono przy tym koszty materiałowe: ogniwo wanadowe kosztowałoby w przeliczeniu na jedną kilowatogodzinę około 320 zł, zaś chinonowe – ok. 120 zł. Na razie nie wiadomo, czy organiczne ogniwo wytrzyma tysiące cykli ładowania, ale setki z pewnością.

Podobną pojemność wykazuje akumulator cukier-powietrze opracowany na uniwersytecie Virginia Tech, dziesięciokrotnie pojemniejszy od dzisiejszych ogniw litowo-jonowych. Anoda z maltodekstryny

pływa w roztworze enzymów, które stopniowo ją rozkładają, uwalniając elektrony. Co prawda, prowadzący badania Percival Zhang prognozuje, że jego cukrowe ogniwa znajdą się w urządzeniach mobilnych już za trzy lata, jednak trzeba pamiętać, że podobne prognozy dotyczące bioogniw dotychczas okazywały się nierealistyczne. Sony już siedem lat temu zapowiedziało takie ogniwa, lecz słowa nie przerodziły się w produkty. Doświadczenie pokazuje, że przełomowe technologie w produkcji akumulatorów wymagają długotrwałych badań. Zanim uda nam się zbudować ogniwa oparte o siłę natury, może minąć jeszcze co najmniej dziesięć lat.

Ładowanie bez gniazdka

Ogniwa chemiczne i gniazdko w ścianie to niejedyne źródła prądu. W przyszłości energię będzie można wytworzyć samemu nawet w zupełnej głuszy. Specjaliści od inżynierii materiałowej z USA i Chin stworzyli miniaturowe generatory umożliwiające przekształcenie w prąd nawet najdrobniejszych wstrząsów. Są one zbudowane z tworzywa PVDF (polifl uorku winylidenu), wytwarzającego prąd pod wpływem ciśnienia i odkształcania. Dotychczas wspomniany materiał był wykorzystywany w powłokach uszczelniających i filtrach, a także w membranach głośników i mikrofonów. W konstrukcji

generatorów wykorzystuje się masę PVDF z zawieszonymi kawałkami tlenku cynku, którą wytrawia się kwasem solnym. W rezultacie otrzymuje się gąbczastą strukturę z miękkiego, giętkiego materiału z dużymi dziurami, niezwykle wrażliwą na wszelkie drgania. Pod koniec procesu produkcyjnego uzyskuje się cienką warstwę gąbczastego PVDF, do której po obu stronach mocuje się folię miedzianą,

tworząc elektrody.

Po wyposażeniu smartfonu w nanogeneratory wystarczy podczas jazdy samochodem umieścić urządzenie na siedzeniu pasażera, a wstrząsy spowodują, że do jego baterii zacznie płynąć prąd. Prototyp przy drganiach o częstotliwości 40 Hz osiągnął szczytowe napięcie 11 V

i prąd 9,8 μA. Ważną zaletą tego rozwiązania jest zastosowanie tanich i nieszkodliwych materiałów. Teoretycznie gąbczasty PVDF dałoby się wykorzystać nawet do przetwarzania na prąd energii ludzkiego ciała. Materiał mógłby posłużyć również do ładowania drobnych czujników. Do tego celu lepiej nadają się jednak inne metody, bazujące na przechwytywaniu energii fal radiowych.

Zasilanie falami radiowymi

Eksperci spodziewają się, że do 2020 roku stworzymy ponad 50 miliardów miniaturowych urządzeń zdolnych do komunikowania się ze sobą. Takie urządzenia będą jednak potrzebowały prądu, podczas gdy w miejscu ich montażu często nie będą dostępne konwencjonalne źródła zasilania. Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego w Seattle opracowali system komunikacyjny wykorzystujący energię przesyłanych w atmosferze sygnałów telewizyjnych i telefonii komórkowej. Ilość uzyskiwanego w ten sposób prądu jest wprawdzie niewielka, ale wystarczająca do przekazywania wiadomości. Podczas testów elementy systemu przesyłały komunikaty z szybkością do 1000 bitów na sekundę, korzystając z energii sygnału telewizyjnego emitowanego z odległości od 0,8 do 11 kilometrów.

Również każdy ruch człowieka wiąże się z uwolnieniem niewielkiej ilości energii mechanicznej, którą można przekształcić na prąd – najlepszym przykładem na to jest rowerowe dynamo. Byłoby miło móc wykorzystać tę energię. W Instytucie Technologicznym stanu Georgia zbudowano generator wytwarzający prąd w wyniku tarcia. Składa się on z czterech warstw nałożonych na siebie. Trzy z nich są zamocowane na stałe i przypominają wyglądem spłaszczony tort – do nich przymocowane są elektrody. Powyżej znajduje się miedziana płytka. Jej ruch po znajdującej się pod nią warstwie pokrytej złotem wywołuje powstanie napięcia. W ten sposób generator wytwarza prąd przemienny z maksymalną mocą 1,5 W. Całe urządzenie jest małe i mieści się w kieszeni: przy przekątnej 10 cm i objętości 0,6 cm3 waży zaledwie 1,1 g. W przyszłości będziemy stale nosić prąd przy sobie – wystarczy tylko potrzeć je dłonią.

Zamknij

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.