Obecne ogniwa litowo-jonowe, oparte na anodzie z grafitu, balansują na granicy tego, co pozwala fizyka i chemia materiałów. Każde dalsze przyspieszanie ładowania zwiększa ryzyko zjawisk, których producenci obawiają się najbardziej: osadzania litu na powierzchni elektrody, lokalnego przegrzewania i stopniowej utraty pojemności. Nic więc dziwnego, że kolejne koncepcje nowych anod pojawiają się niemal co miesiąc, stawiając np. na krzem, tlenki metali czy egzotyczne dwuwymiarowe struktury. Większość z nich obiecuje wyższe pojemności, lecz w praktyce rozbija się o problemy ze stabilnością struktury i długoterminowym zachowaniem w prawdziwych ogniwach.
W całym tym wysiłku wyróżnia się zespół z Uniwersytetu Tohoku, który proponuje zgoła inne podejście, wyróżniające się znacznie na tle tej konkurencji. Zamiast próbować podrasować grafit, badacze budują od podstaw zupełnie nowy szkielet węglowy oparty na zmostkowanych fulerenach, w którym jony litu mają poruszać się i gromadzić inaczej niż w klasycznej, warstwowej strukturze grafitu.
Koniec ery grafitu w akumulatorach?
Chociaż w debacie publicznej często mówi się o magicznych nowych akumulatorach, to prawdziwym wąskim gardłem obecnych ogniw bardzo często okazuje się właśnie anoda. Grafit, który od lat pełni w nich rolę materiału domyślnego, ma teoretyczną pojemność na poziomie około 372 mAh na gram i relatywnie niski potencjał względem litu, co czyni go bezpiecznym i przewidywalnym wyborem. Jednocześnie jego warstwowa struktura działa jak zatłoczona klatka schodowa, bo przy szybkim ładowaniu zbyt wiele jonów próbuje wniknąć w zbyt mało wolnych miejsc, a to sprzyja powstawaniu niepożądanych skupisk litu na powierzchni anody. Ten efekt, znany jako osadzanie litu, wyznacza praktyczne granice “ładowania w pięć minut”.
Czytaj też: Koniec z nocnymi przerwami w fotowoltaice. Startup zebrał miliony na pomysł, który wydaje się szalony
Przez lata próbowano obchodzić te ograniczenia na różne sposoby, bo modyfikując elektrolity, domieszkowując grafit, dodając do niego domieszki krzemu lub stosując coraz bardziej złożone systemy zarządzania temperaturą i prądem ładowania. Dopiero prace takie jak najnowsze badania nad Mg4C60 pokazują, że być może problem leży głębiej, bo w samej filozofii budowy anody.
Fulereny zawsze miały potencjał, ale rozpuszczały się w elektrolicie
Zespół z Uniwersytetu Tohoku skupił się na rozwiązaniu kluczowego problemu zwanego osadzaniem litu. Zjawisko to występuje, gdy podczas zbyt szybkiego ładowania jony litu nie nadążają z wnikaniem w strukturę grafitowej anody i zamiast tego tworzą metaliczne naloty na jej powierzchni. To nie tylko drastycznie skraca żywotność ogniwa, ale może nawet prowadzić do zwarcia, a w konsekwencji do pożaru. Japończycy proponują zastąpienie grafitu czymś zupełnie nowym, bo materiałem oznaczonym jako Mg4C60, który łączy w sobie fulereny, a więc kuliste cząsteczki węgla, z atomami magnezu.
Pomysł wykorzystania fulerenów C60 w magazynowaniu energii nie jest nowy. Te przypominające piłkę futbolową struktury z 60 atomów węgla od dawna fascynowały badaczy, a zostały odkryte w latach 80. ubiegłego wieku. Ich teoretyczne właściwości przewyższały grafit, ale w praktyce okazały się zawodne. Podczas pracy w typowym elektrolicie akumulatora litowo-jonowego, cząsteczki fulerenu miały tendencję do rozpuszczania się i traciły swoją funkcjonalność już po kilku cyklach ładowania i rozładowania.
Czytaj też: Energetyka jądrowa ma szansę na nowy start. Największa bolączka reaktorów jądrowych ma swoje lekarstwo
Przełom zespołu profesora Hao Li polega na tym, że znaleźli sposób na “uwięzienie” fulerenów. Zamiast pozwolić im swobodnie pływać w elektrolicie, połączyli poszczególne cząsteczki C60 za pomocą atomów magnezu, tworząc tym samym sztywną, warstwową strukturę polimerową. Proces ten, nazywany mostkowaniem kowalencyjnym, zmienia luźny proszek w stabilną, trójwymiarową sieć. Efekt jest obiecujący, bo materiał Mg4C60 zachowuje pożądaną zdolność do przechowywania jonów litu, ale już się nie rozpuszcza. W testach laboratoryjnych wykazuje stabilne i odwracalne magazynowanie energii przez wiele cykli, co sugeruje, że akumulator z taką anodą mógłby zachować wysoką pojemność przez znacznie dłuższy czas.
Praktyczne konsekwencje dla elektroniki i elektromobilności
Gdyby udało się wdrożyć tę technologię w praktyce, to korzyści byłyby odczuwalne w wielu obszarach. Przede wszystkim otwiera ona drogę do bezpiecznego, ultraszybkiego ładowania bez obawy o degradację ogniwa. W kontekście samochodów elektrycznych mogłoby to skrócić czas ładowania na stacjach do kilkunastu minut, zbliżając go tym samym do doświadczenia z konwencjonalną stacją benzynową. Wyższa gęstość energii oznaczałaby też, że akumulator o tych samych fizycznych rozmiarach mógłby pomieścić więcej “paliwa”, wydłużając tym samym zasięg na jednym ładowaniu. Dla zwykłego użytkownika smartfona czy laptopa przekładałoby się to na mniej częste wizyty przy gniazdku i wolniejsze starzenie się akumulatora w urządzeniu, ale taka technologia ma również potencjał w dużych systemach magazynowania energii z OZE, gdzie liczy się każdy cykl i długoterminowa stabilność.
Oczywiście, od publikacji w czasopiśmie naukowym do akumulatorów w nowym smartfonie droga jest bardzo długa i wyboista. Kluczowe będą teraz rozmowy i testy z partnerami przemysłowymi. Prawdziwym wyzwaniem okaże się przeskalowanie produkcji Mg4C60 z warunków laboratoryjnych do przemysłowych, a następnie zintegrowanie go z istniejącymi, opłacalnymi procesami produkcyjnymi ogniw. Historia technologii akumulatorowych pełna jest obiecujących materiałów, które nigdy nie trafiły na rynek ze względu na koszty lub problemy z masową produkcją.
Czy to wreszcie ten akumulatorowy przełom?
Historia technologii akumulatorowych zna wielu “cichych bohaterów”, którzy nigdy nie wyszli poza laboratorium. Mg4C60 może podzielić ich los, jeśli okaże się zbyt trudny lub zbyt drogi do masowej produkcji, albo jeśli w prawdziwych ogniwach ujawnią się efekty uboczne niewidoczne w kontrolowanych warunkach testowych. Z drugiej strony sama koncepcja kowalencyjnie zmostkowanych struktur węglowych stanowi bardzo wyraźny sygnał, że w poszukiwaniu lepszych magazynów energii wchodzimy w nową fazę. Nie chodzi już o kosmetyczne poprawki w dobrze znanym grafitowym szkielecie, ale o projektowanie materiału nośnego dla litu niemal “od zera”, bo pod konkretne wymagania szybkiego ładowania, wysokiej pojemności i wieloletniej stabilności.
Jeśli tę filozofię uda się przełożyć na całą rodzinę podobnych materiałów, to inżynierowie samochodów elektrycznych, magazynów energii i elektroniki użytkowej otrzymają zupełnie nowe narzędzie. Nie musi to oznaczać nagłego końca grafitu, który jeszcze długo pozostanie opłacalnym i bezpiecznym standardem. Bardziej prawdopodobny scenariusz zakłada spokojną ewolucję, a więc stopniowe pojawianie się ogniw wyspecjalizowanych w ultraszybkim ładowaniu, przeznaczonych do najbardziej wymagających zastosowań, a dopiero później ich powolną wędrówkę do tańszych segmentów rynku. Do tego czasu Mg4C60 i podobne materiały będą głównie bohaterami publikacji naukowych, ale to właśnie tam zwykle zaczynają się zmiany, które kilka lat później trafiają do kieszeni i garaży zwykłych użytkowników.