Akumulatory litowo-jonowe stały się nieodłącznym elementem naszego świata. Napędzają miliony samochodów elektrycznych, zasilają centra danych i magazynują energię na całym globie. Jednak ich projektowanie przebiegało w zupełnie innych realiach niż te, w których obecnie funkcjonują. Powstały bowiem z myślą o elektronice użytkowej pracującej w stabilnych, komfortowych warunkach. Efekt? Kiedy temperatura spada poniżej minus 30 stopni Celsjusza, akumulatory tracą znaczną część swoich możliwości, a przy przekroczeniu minus 45 stopni stają się niestabilne i to do tego stopnia, że w skrajnych przypadkach mogą nawet ulec eksplozji. To fundamentalne ograniczenie poważnie wpływa na rozwój wielu technologii.
Prawda o współczesnych akumulatorach litowo-jonowych przy niskich temperaturach
Obecne metody radzenia sobie z tym problemem przypominają raczej prowizoryczne łatanie dziur niż prawdziwe rozwiązanie. Zewnętrzne systemy grzewcze i chłodzące zajmują cenną przestrzeń, pobierają dodatkową energię i wymagają regularnej konserwacji. Mimo tych zabiegów oferują jedynie ograniczony zakres działania przy temperaturze od minus 30 do 45 stopni Celsjusza, co poważnie utrudnia wykorzystanie pojazdów elektrycznych w regionach polarnych czy na pustyniach.
Czytaj też: Kolce na światło. Solarne wieże przechodzą wydajnościową metamorfozę
Wyzwanie narasta wraz z postępem technologicznym. Centra danych obsługujące zaawansowane algorytmy sztucznej inteligencji generują ogromne ilości ciepła, zaawansowane drony muszą funkcjonować w zmiennych warunkach atmosferycznych, a pojazdy elektryczne wymagają niezawodności niezależnie od pogody. Innymi słowy, tradycyjne rozwiązania bateryjne nie nadążają za tymi wymaganiami.
Jak uratować akumulatory w zimnie? Podwójne podejście zamiast kompromisów
Rozwiązanie opracowane przez zespół z Penn State opiera się na prostym, ale genialnym pomyśle. Zamiast szukać jednego uniwersalnego materiału, naukowcy zastosowali podwójną strategię. Do obsługi wysokich temperatur zmodyfikowali elektrody i elektrolity, zastępując lotny ciekły elektrolit bezpieczniejszymi alternatywami. Z kolei do radzenia sobie z mrozem dodali wewnętrzny element grzewczy.
Czytaj też: Prąd spada z nieba. Nowy generator z wody bije na głowę klasyczne rozwiązania
Kluczowym elementem jest cienka folia niklowa o grubości około 10 mikronów, czyli niewiele grubsza niż ludzka krwinka czerwona. Jest ona zasilana przez sam akumulator i pozwala systemowi na samoregulację temperatury bez znaczącego zwiększania wagi czy objętości. To eleganckie rozwiązanie problemu, który do tej pory wydawał się nie do pokonania.
Poprzez optymalizację materiałów używanych do wysokich temperatur i wdrożenie wewnętrznego grzejnika do ogrzewania baterii, co z kolei poprawia wydajność w niskich temperaturach, można pokonać tę barierę termiczną – tłumaczy Chao-Yang Wang, profesor Penn State.
Przełomowość tego podejścia polega na tym, że wcześniejsze próby zawsze wiązały się z kompromisami. Poprawiając wydajność w zimnie, najczęściej pogarszano stabilność w upale i odwrotnie, ale oto zespół z Penn State jako pierwszy wykazał, że można osiągnąć obie te cechy jednocześnie.
Praktyczne korzyści i zastosowania “wewnętrznego regulatora akumulatora”
Nowy projekt znacząco rozszerza zakres temperatur pracy do przedziału od minus 50 do 75 stopni Celsjusza. Stanowi to ogromny skok w porównaniu z obecnymi możliwościami. Profesor Wang sugeruje, że przy dalszym rozwoju można osiągnąć nawet 70-85 stopni, a dla branży pojazdów elektrycznych oznacza to możliwość działania w praktycznie każdym miejscu na Ziemi. Sama integracja zarządzania termicznego bezpośrednio z akumulatorem przynosi wymierne korzyści. Znika bowiem potrzeba stosowania zewnętrznych systemów grzewczych i chłodzących, a to przekłada się na oszczędność miejsca, energii i kosztów.
Czytaj też: Mitsubishi tworzy gigantyczną pompę ciepła o mocy 640 kW. Przemysł wkracza w nową erę efektywności
Zastosowania tej technologii wykraczają daleko poza pojazdy elektryczne. Satelity, farmy słoneczne na pustyniach, systemy magazynowania energii w ekstremalnych klimatach – wszystkie te obszary mogą skorzystać z nowego rozwiązania, więc jest to szczególnie istotne w kontekście rosnącego zapotrzebowania na energię. Dobrze jest więc wiedzieć, że zespół z Penn State planuje teraz wdrożenie swojego rozwiązania i dalszą optymalizację. Jak zauważa profesor Wang, nasze społeczeństwo staje się coraz mocniej zależne od energii. Rozwój sztucznej inteligencji, zaawansowanych dronów i pojazdów elektrycznych wymaga ciągłego ulepszania akumulatorów, które je zasilają.