Najnowsze osiągnięcia laboratoryjne wskazują, że technologie, które do tej pory wydawały się niemożliwe do wdrożenia, mogą wkrótce zyskać praktyczne zastosowanie. Tym razem w grę wchodzi pierwszy funkcjonujący prototyp akumulatora magnezowego, który może pracować w “normalnych” warunkach. To znaczące osiągnięcie, ponieważ przez lata podstawowym problemem uniemożliwiającym praktyczne wykorzystanie magnezu w akumulatorach była jego niska efektywność w temperaturze pokojowej.
Magnez i jego rewolucyjny potencjał w akumulatorach
Magnez jest od dawna uważany za potencjalnego następcę litu, a to z kilku kluczowych powodów. Przede wszystkim jest pierwiastkiem znacznie bardziej powszechnym w przyrodzie, a to przekłada się na niższą cenę i większą dostępność. Dodatkowo charakteryzuje się większym bezpieczeństwem użytkowania oraz mniejszą szkodliwością dla środowiska. Teoretycznie oferuje też wyższą gęstość energii w przeliczeniu na objętość, a to podstawa do produkcji mniejszych oraz wydajniejszych akumulatorów.
Czytaj też: “Prawdziwa magia” Jeśli to wejdzie do fabryk, to rynek fotowoltaiczny wybuchnie
Podstawowym wyzwaniem technologicznym, które do teraz blokowało rozwój tej technologii, była tzw. powolna mobilność jonów magnezowych. W praktyce oznaczało to, że jony tego pierwiastka nie były w stanie przemieszczać się wystarczająco szybko między elektrodami w standardowych warunkach temperaturowych, a to czyniło cały system bardzo nieefektywnym. Nowy prototyp pokonuje tę barierę, a to dzięki innowacyjnemu podejściu do konstrukcji elektrolitu i elektrod, dając szanse na narodzenie się rozwiązania, które wypełni kluczową niszę na rynku.
To osiągnięcie wpadło na konto zespołu naukowców z Tohoku University, którzy to pochwalili się swoją nową komórką z anodą z magnezu, nowym amorficznym tlenkowym katodowym materiałem oraz nowoczesnym elektrolitem. Testy wykazały, że ta komórka stabilnie pracuje w temperaturze pokojowej i potrafi zasilić niebieską diodę LED wymagającą ponad 2,5 V napięcia. Naturalnie nie jest to jeszcze produkt i coś, co w takiej formie mogłoby zacząć trafiać do akumulatorowych pakietów, ale już teraz wytrzymałość na poziomie 200 cykli należy po prostu docenić.
Czytaj też: Niemcy otworzyły szampana, bo poranki zaświeciły prądem. Takiej elektrowni nie ma żaden inny kraj
Z punktu widzenia chemii materiałowej przełom opiera się na dwóch elementach. Po pierwsze, amorficzna katoda uzyskana dzięki częściowej wymianie jonów Li⁺ na Mg²⁺ pozostawia w strukturze wolne przestrzenie, które tworzą korytarze migracji dla Mg²⁺. To omija dotychczasowy główny problem – powolną dyfuzję jonów o podwójnym ładunku. Po drugie, zastosowany elektrolit ze słabo koordynującym anionem, umożliwia odwracalne osadzanie i rozpuszczanie magnezu przy umiarkowanych nadnapięciach i bez udziału halogenków, co z kolei poprawia zgodność z tlenkami. W tej konfiguracji pojedyncze ogniwo typu coin cell po krótkim ładowaniu zasiliło niebieską diodę LED przez ponad 7 minut, a w testach wykazało około 150 mAh/g i około 70 mAh/g po 200 cyklach w temperaturze pokojowej.
Dlaczego świat tak potrzebuje akumulatorów magnezowych>
Z punktu widzenia rynku ma to sens nawet na etapie wczesnego prototypu. Magnez oferuje znacznie wyższą pojemność objętościową niż lit metaliczny – około 3833 mAh/cm³ wobec około 2060 mAh/cm³ dla litu – więc przy tej samej objętości można zgromadzić więcej ładunku. Pod względem pojemności właściwej na masę lit wciąż wygrywa, ale w magazynach stacjonarnych liczy się przede wszystkim gęstość energii na litr, a nie na kilogram. Dodatkowym atutem jest spokojniejsza morfologia osadzania Mg względem Li, co ogranicza tworzenie niepożądanych struktur dendrytycznych i podnosi bezpieczeństwo pracy. Innymi słowy, jeśli chemia elektrolitu i elektrod zostanie domknięta tak, by zapewnić sprawny transport Mg²⁺ i stabilne cykliczne działanie, magnez ma realne szanse stać się bezpiecznym, gęstym objętościowo magazynem energii dla sieci i przemysłu.
Czytaj też: Przebili sufit. Tam, gdzie zwykłe pompy ciepła się poddają, ta dopiero się rozkręca
Chociaż to pierwszy przypadek, gdy tak złożony układ wyszedł poza demonstracje na półogniwach i pokazał stabilną pracę pełnej komórki bez podgrzewania, to musimy pamiętać, że dzisiejszy wynik nie jest już przemysłową rewolucją. Musimy jednak uznać to za ważny ruch w sektorze przyszłości magazynowania energii. Oto bowiem ludzkość ma już oficjalnie pełną komórkę magnezową działającą w temperaturze pokojowej, z tlenkową katodą i elektrolitem, który nie degraduje anody, a tego dokładnie nauce brakowało. Teraz liczyć się będą liczby, a nie obietnice, czyli trwałość powyżej 500 cykli bez gwałtownego spadku pojemności, sensowne gęstości prądowe i ładowanie w realistycznych czasach, elektrody o fabrycznych grubościach oraz elektrolit odporny na wilgoć i policzalny kosztowo. Jeśli te elementy złożą się w całość, magnez przestanie być prezentacyjną ciekawostką – stanie się praktycznym narzędziem dywersyfikacji poza lit.