Badacze z Penn State University opracowali technologię elektrod, która według wstępnych danych osiąga gęstość energii przekraczającą 500 watogodzin na kilogram. Są to wartości znacząco wyższe od obecnie stosowanych rozwiązań, co w praktyce mogłoby przełożyć się na zauważalne wydłużenie dystansu pokonywanego na jednym ładowaniu. Chociaż brzmi to obiecująco, to nie ma co ogłaszać jeszcze rewolucji, bo podobne zapowiedzi nie zawsze znajdują szybkie zastosowanie w masowej produkcji.
Jak nowy akumulator z USA rozbija barierę zasięgu elektrycznych pojazdów?
Konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe mają fundamentalne ograniczenie konstrukcyjne. Jak wyjaśniają naukowcy, materiał aktywny odpowiedzialny za magazynowanie energii stanowi zaledwie 30-50% komercyjnych ogniw. Pozostałą część zajmują elementy konstrukcyjne, separator, elektrolit i inne niezbędne komponenty. Teoretycznie najprostszym rozwiązaniem byłoby zwiększenie grubości elektrod, ale problem w tym, że grubsze elektrody wymagają bardzo porowatej struktury umożliwiającej transport ładunków, co z kolei negatywnie wpływa na gęstość energii. Zespół pod kierownictwem Hangtao Suna opracował metodę omijającą to ograniczenie.
Czytaj też: Inteligentny dom to sensowne oszczędności. Technologia zwraca się szybciej niż myślisz
Proponowany przez specjalistów proces zagęszczania wspomaganego cieczą przejściową, który jest inspirowany zjawiskami geologicznymi, odbywa się w stosunkowo niskiej temperaturze około 120 stopni Celsjusza. Dla porównania tradycyjne metody spiekania wymagają poziomu nawet 1000 stopni. W ramach tej technologii wewnątrz elektrod tworzone są syntetyczne granice ze specjalistycznego żelu poli-jonowego, które funkcjonują jak swoiste autostrady dla ładunków elektrycznych. Dzięki tym innowacjom elektrody mogą być od pięciu do dziesięciu razy grubsze i dwukrotnie gęstsze niż konwencjonalne rozwiązania. Zawartość materiału aktywnego wzrasta do imponujących 92,7% wagowych, co stanowi niemal dwukrotny wzrost w porównaniu z obecnie stosowanymi bateriami.
Trwałość akumulatorów jest równie istotna co pojemność i tutaj projekt również “dowozi”
Wysoka gęstość energii to tylko jeden element układanki. Równie ważna jest trwałość akumulatorów, które muszą przetrwać setki cykli ładowania bez znaczącej degradacji. Tak się jednak składa, że syntetyczne granice nie tylko ułatwiają transport ładunków, ale również zwiększają odporność na odkształcenia mechaniczne występujące podczas ładowania i rozładowania. Efekt? Wytrzymałość elektrod wzrosła dziesięciokrotnie, a wytrzymałość na rozciąganie trzykrotnie w porównaniu z elektrodami prasowanymi na gorąco bez dodatku cieczy. W praktyce przekłada się to na potencjalnie dłuższą żywotność akumulatorów, co zespół potwierdził, bo w ramach swojej pracy opracował również narzędzie do monitorowania odkształceń w czasie rzeczywistym podczas pracy, co pozwala lepiej zrozumieć procesy degradacji.
Czytaj też: Jedziesz, a “paliwa” nie ubywa. Każdy z nas może przejechać się “drogą przyszłości”
Parametry nowych elektrod prezentują się imponująco. Osiągają objętościową pojemność 420 mAh na centymetr sześcienny, a przy wysokiej zawartości materiału aktywnego wartość ta rośnie do 497 mAh/cm³. Energia właściwa plasuje się w przedziale 362-632 Wh/kg, objętościowa od 704 do 1338 Wh/L, a powierzchniowa od 34 do 189 mWh/cm². Dla porównania tradycyjna elektroda powlekana zawiesiną osiąga odpowiednio zaledwie 207 Wh/kg, 256 Wh/L i 10 mWh/cm².
Droga do komercjalizacji. Kiedy nowe akumulatory trafią na rynek?
Kluczowe pytanie dotyczy czasu, kiedy ta technologia mogłaby znaleźć praktyczne zastosowanie. Naukowcy zapewniają, że ich metoda jest przystępna cenowo i skalowalna. Proces zużywa od stu do tysiąca razy mniej energii niż najbardziej efektywne obecnie dostępne techniki spiekania, a na dodatek jest kompatybilny ze standardowym sprzętem przemysłowym. Gdyby tego było mało, zespół już wyprodukował prototyp elektrody, co stanowi ważny krok w kierunku komercjalizacji. Należy jednak pamiętać, że droga od obiecującego prototypu do masowej produkcji bywa długa i pełna wyzwań. Pewne jest jednak, że technologia opracowana na Penn State University z pewnością zasługuje na uwagę, bo osiągane parametry gęstości energii rzeczywiście mogłyby znacząco poprawić funkcjonalność pojazdów elektrycznych.