Nowy prototyp opracowany przez zespół naukowców z Meksykańskiego Centrum Badań Materiałów Zaawansowanych przeszedł serię drastycznych testów, które zniszczyłyby każdy konwencjonalny akumulator. Jednak na wytrzymaniu istnych “tortur” historia się nie kończy, bo po wszystkich tych eksperymentach urządzenie nadal działało bez zarzutu. Czy to oznacza początek końca problemów z bezpieczeństwem akumulatorów?
Cynk zamiast litu. Nowe podejście do magazynowania energii
Najciekawsze w tym prototypowym akumulatorze nie są widowiskowe testy ognia czy przebicia, tylko to, że usuwa kluczowy wektor ryzyka znany z tradycyjnych akumulatorów, czyli palny elektrolit ciekły. Zastąpienie go żelowym polimerem i przejście na chemię cynk-powietrze odcięło zupełnie drogę do ucieczki termicznej, więc nawet brutalne uszkodzenia mechaniczne nie przekładają się na gwałtowną reakcję. Do tego elektroda z węgla z jednoatomowym niklem upraszcza użycie metalu katalitycznego do poziomu, który realnie można skalować kosztowo.
Czytaj też: Zimowy koszmar właścicieli elektryków dobiega końca. Ta innowacja sprawi, że baterie przetrwają nawet polarne mrozy
W praktyce mówimy więc o architekturze, która lepiej znosi błąd użytkownika i skrajne środowisko. Taki akumulator nie jest tylko trudniejszy do podpalenia, ale też z definicji ogranicza źródło zapłonu. Wszystko przez fakt, że nie posiada ciekłej mieszanki do odparowania i samozapłonu, a zachodzące w nim reakcje tlenowe mają miejsce na kontrolowanej elektrodzie powietrznej. Wytrzymałość to jednak nie tylko jedyna cecha tego akumulatora, bo wykorzystuje on wspomniany nikiel, który w przeciwieństwie do litu i kobaltu, jest bardziej powszechny i przystępny cenowo.
Prawdziwym wyzwaniem dla inżynierów było znalezienie odpowiedniego metalu, który byłby zarówno bezpieczny, jak i szeroko dostępny. Rozwiązanie okazało się elegancko proste – użyć minimalnej ilości surowca. Zamiast standardowych, masywnych elektrod, zespół stworzył cienki arkusz węglowy pokryty pojedynczymi atomami niklu. Ten zabieg znacząco zmniejszył zapotrzebowanie na metal, utrzymując jednocześnie wysoką wydajność energetyczną.
Akumulator, który nie chce się poddać
Laboratoryjne teorie to jedno, ale prawdziwym sprawdzianem każdej technologii są praktyczne testy. Zespół dr Arjony postanowił poddać swój prototyp serii brutalnych eksperymentów. W ich ramach akumulator przebito gwoździem, podpalono i zanurzono w wodzie, a po każdej z tych prób wciąż funkcjonował bez oznak uszkodzenia. Standardowe akumulatory litowo-jonowe używane w smartfonach czy samochodach elektrycznych w podobnych warunkach najprawdopodobniej uległyby zniszczeniu lub zapłonowi. Nie jest to wcale niemożliwe, bo przecież wystarczy przypomnieć sobie doniesienia o wybuchających telefonach czy pożarach pojazdów elektrycznych po kolizjach.
Czytaj też: Prąd spada z nieba. Nowy generator z wody bije na głowę klasyczne rozwiązania
Badacze nie poprzestali jednak na testach mechanicznych. Sprawdzili również zachowanie swojego akumulatora w ekstremalnych temperaturach. Wyniki okazały się zaskakująco dobre – prototyp zachował stabilność i wydajność zarówno w wysokich, jak i niskich temperaturach, nie tracąc przy tym znacząco na mocy. Ta cecha ma szczególne znaczenie dla krajów o zróżnicowanym klimacie, gdzie użytkownicy pojazdów elektrycznych zmagają się z problemami podczas zimowych miesięcy. Spadek zasięgu i wydajności akumulatorów w niskich temperaturach stanowi jedną z głównych barier w upowszechnianiu elektromobilności w chłodniejszych regionach.
Problemy akumulatorów cynkowo-powietrznych
Największy problem dzisiejszych ogniw cynkowo-powietrznych to nie sama energia właściwa, tylko dwie rzeczy: cykliczność i zarządzanie powietrzem. Powietrze zawiera CO2 i wilgoć, które karbonatyzują elektrolit i degradują wydajność katody. Prototyp rozwiązuje to po części przez żelowy elektrolit i katalizę jednoatomową, ale w produkcie seryjnym konieczne będą filtry dwutlenku węgla lub membrany selektywne oraz kontrola wilgotności. Bez tego długotrwałe ładowanie i rozładowanie w realnych warunkach będzie trudne do utrzymania.
Drugi wątek to dwufunkcyjność katody powietrznej. Do ładowania potrzebna jest efektywna reakcja wydzielania tlenu, a do rozładowania równie dobra redukcja tlenu. Katalizatory jednoatomowe niklu to krok naprzód, bo zapewniają aktywność przy niższej zawartości metalu i lepszej jednorodności centrów aktywnych. To przekłada się na mniejszą polaryzację i niższe straty napięcia w obu kierunkach, co jest warunkiem sensownej sprawności cyklu.
Potencjalne zastosowania. Od transportu po biodegradowalne komponenty
Możliwości wykorzystania nowej technologii wydają się znacznie szersze niż tylko elektronika użytkowa. Zespół z CIMAV dostrzega potencjał w pojazdach elektrycznych, systemach lotniczych oraz czujnikach pracujących w trudnych warunkach środowiskowych. Odporność na ekstremalne temperatury i uszkodzenia mechaniczne sprawia, że akumulatory cynkowo-powietrzne mogłyby znaleźć zastosowanie tam, gdzie obecne rozwiązania zawodzą. Naukowcy myślą również o aspektach środowiskowych. Prowadzą badania nad integracją biodegradowalnych komponentów, które po zakończeniu eksploatacji mogłyby wzbogacać glebę, zamiast trafiać na wysypiska. W dalszych planach znajduje się włączenie do struktury bioplastików oraz zastąpienie niklu żelazem, czyli pierwiastkiem powszechnie występującym w glebie.
Bezpieczniejsze, tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska magazyny energii przestają być odległą wizją, a stają się realną perspektywą na nadchodzące lata. Dr Arjona zachowuje jednak zdrowy realizm. Pomimo obiecujących wyników, droga do komercjalizacji technologii wciąż pozostaje długa. Konieczne są dalsze badania, testy i optymalizacje, zanim akumulatory cynkowo-powietrzne będą mogły zastąpić obecne rozwiązania na masową skalę. Prototyp z Meksyku pokazuje, że przyszłość magazynowania energii może wyglądać zupełnie inaczej niż obecnie.