Kiedy patrzymy na rozwój technologii magazynowania energii elektrycznej, trudno oprzeć się wrażeniu, że dotychczasowe rozwiązania powoli wyczerpują swój potencjał. Obecnie dominujące akumulatory litowo-jonowe w smartfonach i samochodach elektrycznych zbliżają się do granic swoich możliwości, co stanowi poważną barierę dla dalszego postępu w elektromobilności i lotnictwie. Dlatego tak duże emocje budzą prace nad akumulatorami litowo-powietrznymi, które od lat funkcjonują w literaturze naukowej jako potencjalni następcy litowo-jonowych. Teraz Japończycy twierdzą, że udało im się wykonać ruch, na który wszyscy czekali, bo w swojej pracy jednocześnie poprawili moc, żywotność i na dodatek zadbali o możliwość produkcji na dużą skalę.
Trzy fundamentalne wyzwania akumulatorów litowo-powietrznych wreszcie zostały przezwyciężone
Akumulatory litowo-powietrzne od dawna uważa się za świętego Graala w dziedzinie magazynowania energii, a to głównie ze względu na teoretyczną gęstość energetyczną zbliżoną do konwencjonalnych paliw kopalnych. Niestety, przez lata pozostawały one w sferze laboratoryjnych ciekawostek z powodu szeregu poważnych ograniczeń. Głównymi przeszkodami były zawsze niska moc wyjściowa, zbyt krótki cykl życia oraz całkowity brak możliwości produkcji na skalę przemysłową.
Czytaj też: Koniec dominacji Chin! Niemcy produkują panele słoneczne, jakich świat nie widział
Oto jednak zespół z National Institute for Materials Science oraz firmy Toyo Tanso opracował nowatorską elektrodę węglową, która stanowi odpowiedź na wszystkie te wyzwania jednocześnie. Naukowcy połączyli porowaty węgiel CNovel z technologią produkcji samodzielnych membran węglowych, tworząc warstwową strukturę porowatą znacząco poprawiającą transport jonów i reakcje chemiczne wewnątrz ogniwa. Zwiększona krystaliczność materiału węglowego przekłada się przy tym na zauważalnie lepszą trwałość i wydłużoną żywotność całego układu.
Wyniki testów laboratoryjnych wyglądają obiecująco, choć to nie czas, aby ekscytować samymi numerkami. Prototypowy akumulator wytrzymał stabilnie ponad 150 cykli ładowania przy gęstości prądu na poziomie 1,5 mA/cm². W porównaniu z tysiącami cykli oferowanymi przez współczesne akumulatory litowo-jonowe może to nie robić wrażenia, ale w świecie magazynów litowo-powietrznych stanowi to wyraźny postęp. Zespół zademonstrował również działający prototyp o pojemności 1 Wh z elektrodą o wymiarach 4 na 4 centymetry, co pokazuje, że technologia zaczyna wychodzić poza czysto akademickie rozważania.
Czytaj też: Pompy ciepła nowej generacji wkraczają na rynek europejski. Panasonic zaskakuje rozwiązaniami
Nowa konstrukcja elektrody rozwiązuje kilka problemów naraz, co w świecie akumulatorów zdarza się niezwykle rzadko. Zwykle poprawa jednego parametru oznacza pogorszenie innego, bo zwiększenie gęstości energii odbija się na żywotności, a podniesienie mocy skutkuje wzrostem temperatury pracy i przyspieszoną degradacją materiałów. W przypadku proponowanego przez Japończyków układu warstwowego porowatego węgla CNovel udało się ograniczyć tę grę w ciągłe kompromisy. Lepszy transport jonów i uporządkowana struktura węglowa pozwalają ogniwu pracować stabilniej przy wyższych obciążeniach.
Równie istotne jest to, że badacze nie ograniczyli się do demonstracji pojedynczego, laboratoryjnego “piksela” technologii. Zbudowanie działającego ogniwa o pojemności 1 Wh może wydawać się skromnym osiągnięciem, ale w praktyce jest dowodem, że cała koncepcja nadaje się do łączenia w większe moduły. To pierwszy krok do pakietów akumulatorowych, które można realnie wyobrazić sobie w samochodzie, samolocie czy magazynie energii współpracującym z farmą wiatrową.
Od laboratoryjnego prototypu do przemysłowej skali produkcji
Przełom widać szczególnie w obszarze skalowalności elektrod. Do tej pory większość eksperymentów z akumulatorami litowo-powietrznymi kończyła się na drobnych próbkach, które nie miały wiele wspólnego z wymiarami przemysłowych ogniw. Przejście z kilku milimetrów do płyt 10 na 10 centymetrów oznacza nie tylko inne wyzwania mechaniczne i chemiczne, ale też zupełnie inne wymagania wobec procesu produkcyjnego. Udana demonstracja tak dużej elektrody pokazuje, że NIMS i Toyo Tanso myślą o tej technologii nie jak o ciekawostce do publikacji naukowej, ale jak o przyszłym produkcie, który trzeba będzie wytwarzać w setkach tysięcy sztuk.
Co istotne, wyższa moc wyjściowa otwiera tej technologii drzwi do segmentów, w których klasyczne ogniwa litowo-jonowe już dziś balansują na granicy swoich możliwości. Mowa nie tylko o wyczynowych samochodach elektrycznych, które w ułamku sekundy potrzebują ogromnych prądów do gwałtownego przyspieszania, ale też o latających dronach, mających zrewolucjonizować miejską mobilność. Maszyny typu eVTOL generują gigantyczne obciążenia chwilowe przy starcie i lądowaniu, a jednocześnie muszą dźwigać własne magazyny energii. Jeśli więc akumulatory litowo-powietrzne rzeczywiście zapewnią zauważalnie więcej energii przy tej samej masie, to projektanci uzyskają zupełnie nowy margines swobody.
Czytaj też: Stacje ładowania ratują szwedzką sieć energetyczną. Nikt tego się nie spodziewał
Z biznesowego punktu widzenia równie ważna co parametry techniczne jest przewidywalność procesu wytwarzania. Jeśli nowa elektroda da się produkować z użyciem relatywnie prostych metod przemysłowych, bez konieczności stosowania egzotycznych materiałów czy ekstremalnie precyzyjnych procesów, to w pewnym momencie pojawi się pokusa, by przenieść ją z linii pilotażowej do fabryki. I to właśnie na tym etapie rozwoju są dziś japońskie badania. Daleko jeszcze jest do seryjnej produkcji, ale po raz pierwszy można zacząć rzetelnie rozmawiać o kosztach, wydajności linii i potencjalnych partnerach z branży motoryzacyjnej czy lotniczej.
Akumulatorowa rewolucja niechętnie puka do drzwi
Historia technologii magazynowania energii pełna jest obietnic, które nigdy nie wyszły poza laboratorium, oraz projektów, które rozbiły się o bezlitosną rzeczywistość kosztów i niezawodności. Japoński akumulator litowo-powietrzny nie jest jeszcze biletem w jedną stronę do świata elektrycznych samolotów i ciężarówek o zasięgu jak na oleju napędowym, ale po raz pierwszy od dawna pojawia się namacalny dowód, że ten Święty Graal da się przynajmniej dotknąć. Jeżeli kolejne prace potwierdzą stabilność ogniw w długotrwałej eksploatacji, a przemysłowi partnerzy podejmą ryzyko wdrożenia tej technologii na linie produkcyjne, konsekwencje wykraczą daleko poza rynek samochodów elektrycznych. Zmieni się sposób, w jaki myślimy o buforowaniu energii z OZE, o zasilaniu infrastruktury krytycznej czy o projektowaniu środków transportu na długie dystanse.