Co ma węgiel do akumulatora?
Zaprezentowane właśnie światu nowe podejście w projektowaniu akumulatorów uderza dokładnie w te punkty, o których kierowcy mówią najczęściej, a więc w zasięg, czas ładowania i bezpieczeństwo. Gęsto upakowane warstwy jonów w porowatej strukturze węgla mają pozwolić na zmagazynowanie znacznie większej ilości energii w tej samej objętości, a sieć nanokanałów działa niczym autostrada dla jonów, radykalnie skracając czas ładowania. Do tego metal osadza się wewnątrz węglowego rusztu, zamiast tworzyć niebezpieczne dendryty na powierzchni elektrody, co obiecuje wyraźny spadek ryzyka przegrzania i pożaru.
Czytaj też: Montowanie paneli słonecznych na dachach nie musi być utrapieniem. Przez wszystkie te lata robiliśmy to źle?
Badacze ze Skoltech twierdzą, że odkryli klucz do radykalnego skrócenia czasu ładowania akumulatorów. Ich praca koncentruje się na materiałach anodowych z węgla, które dzięki nowej architekturze mogłyby zmienić nie tylko branżę motoryzacyjną, ale także magazynowanie energii odnawialnej. Pierwsze działające prototypy już istnieją, choć na razie w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Jeżeli więc ta koncepcja wytrzyma zderzenie z przemysłową rzeczywistością, to “samochód elektryczny na węgiel” może stać się symbolem czegoś zupełnie innego niż dziś kojarzymy z tym surowcem – cichej, szybkiej i wreszcie naprawdę wygodnej elektromobilności.
Gęste kanapki z metali dla akumulatorów
Przez dekady panowało przekonanie, że jony w akumulatorach mogą tworzyć jedynie pojedyncze warstwy w materiałach węglowych, takich jak grafit. Przełom nastąpił w 2018 roku, a więc wtedy, gdy zaawansowane mikroskopy elektronowe ujawniły coś zupełnie niespodziewanego. Jony litu potrafiły układać się pomiędzy dwiema warstwami grafenu, formując strukturę przypominającą metalową kanapkę. To odkrycie zapoczątkowało nowy kierunek badań. Szybko okazało się, że podobne, gęste układy da się tworzyć również z innych, łatwiej dostępnych metali alkalicznych, takich jak sód czy potas. Co istotne, te wielowarstwowe formacje można osadzać w różnych postaciach węgla, wliczając w to grafen, węgiel szklisty lub sfery węglowe.
Nasze badanie przełamuje nowe bariery w nauce o materiałach energetycznych. Uporządkowaliśmy fakty dowodzące, że natura pozwala nam ‘upakować’ jony w węgiel znacznie gęściej, niż wcześniej sądzono, że jest to możliwe – Ilja Chepkasov, starszy pracownik naukowy w Centrum Transformacji Energetycznej Skoltech
Teoretyczne wyliczenia są naprawdę obiecujące. Anoda grafenowa z czterema upakowanymi warstwami litu mogłaby osiągnąć nawet trzykrotnie większą pojemność niż najlepsze współczesne anody grafitowe. W praktyce przekładałoby się to na większy zasięg samochodu elektrycznego bez konieczności powiększania fizycznych rozmiarów jego akumulatora. Jednak zwiększona pojemność to tylko jedna strona medalu. Prawdziwą rewolucją może być kolosalny skok w prędkości ładowania. Sekret tkwi w specjalnie zaprojektowanej matrycy węglowej, pełnej nanoporów i nanokanałów. Pełnią one funkcję swoistych autostrad, wyznaczając jonom optymalne, szybkie trasy przemieszczania się przez materiał. Dzięki temu jony nie muszą się przeciskać przez gęstą strukturę, co drastycznie skraca czas potrzebny na naładowanie ogniwa.
Czytaj też: Akumulatory litowo-siarkowe były zbyt piękne, by działać. Ten materiał to zmieni
Wyniki wstępnych testów są zachęcające. Akumulatory sodowo-jonowe wykorzystujące nową technologię zachowały 83 procent początkowej pojemności po trzech tysiącach cykli ekstremalnie szybkiego ładowania. Dla przeciętnego użytkownika oznaczałoby to możliwość codziennego ładowania przez ponad osiem lat, z utratą zaledwie siedemnastu procent pojemności. To kontrastuje ze współczesnymi akumulatorami litowo-jonowymi, które po podobnej liczbie intensywnych cykli zwykle nadają się już do wymiany. Kluczem do takiej wydajności jest precyzyjne zaprojektowanie nośnika węglowego, czy to przez tworzenie uporządkowanych kanałów w grafenie, kontrolę wielkości porów w węglu twardym, czy wprowadzanie otwartych mezokanałów do sfer węglowych.
Koniec z płonącymi akumulatorami i niepewna przyszłość
Nowa architektura niesie ze sobą także istotną poprawę bezpieczeństwa, które jest poważnym zmartwieniem przy obecnych akumulatorach. Głównym winowajcą pożarów są dendryty, czyli igiełkowate, metaliczne struktury, które rosną na anodzie podczas ładowania. Z czasem mogą one przebić separator między elektrodami, prowadząc do zwarcia, przegrzania i w efekcie do zapłonu. Opisywana technologia rozwiązuje ten problem u samego źródła. Metal osadza się i rozpuszcza wewnątrz porowatej struktury węglowej, a nie na jej gładkiej powierzchni. Taki proces skutecznie hamuje wzrost niebezpiecznych dendrytów, minimalizując ryzyko zwarcia. W konsekwencji akumulatory miałyby być znacznie bezpieczniejsze i to nawet po latach intensywnego użytkowania.
Czytaj też: Siedem gigantów fotowoltaiki śledzi ten projekt. Może zmienić cały rynek fotowoltaiczny
Mimo tych wszystkich zalet droga od obiecującego prototypu laboratoryjnego do seryjnie produkowanego akumulatora w samochodzie jest długa i wyboista. Naukowcy zdają sobie sprawę z wyzwań związanych ze skalowaniem produkcji i utrzymaniem opłacalności ekonomicznej. Sukces w laboratorium to dopiero pierwszy krok, a powielenie go w warunkach przemysłowych, przy zachowaniu tych samych parametrów i niskich kosztów, to zupełnie inna liga. Jednak sama koncepcja wielowarstwowego upakowania jonów w węglu stanowi świeże i niezwykle wartościowe podejście w dziedzinie magazynowania energii. Pokazuje, że w znanych od lat materiałach wciąż drzemie niewykorzystany potencjał, czekający tylko na odpowiednie odkrycie i dopracowanie. To daje pewną dozę ostrożnego optymizmu co do przyszłości zarówno elektromobilności, jak i stabilnych sieci energetycznych opartych na OZE.