Tlen to problem, ograniczający zasięg na jednym ładowaniu w samochodach elektrycznych
Współczesne samochody elektryczne są w dużej mierze zakładnikami własnej fizyki. Jeśli chcemy, aby na jednym ładowaniu przejeżdżały dalej, to najłatwiejszym rozwiązaniem wydaje się włożenie do auta jeszcze większego pakietu akumulatora. Więcej ogniw oznacza jednak nie tylko wyższy koszt, lecz także dodatkową masę, skomplikowane chłodzenie i coraz trudniejsze do spełnienia wymagania bezpieczeństwa. Producenci od lat próbują więc wycisnąć więcej energii z tego samego litra objętości, podnosząc napięcie pracy ogniw litowo-jonowych. Zderzają się przy tym z twardą barierą chemii materiałów.
Czytaj też: Rewolucyjny napęd elektryczny jak kartridż. Chwytasz, wyciągasz i wymieniasz w chwilę
Kluczowy problem pojawia się po stronie katody, czyli elektrody odpowiedzialnej za magazynowanie jonów litu przy wysokim napięciu. Im więcej niklu w jej składzie i im wyższe jest napięcie, tym agresywniej zachowują się atomy tlenu uwięzione w sieci krystalicznej. Z pozoru to tylko niewidzialne przesunięcia ładunków i wiązań chemicznych, ale w praktyce są to reakcje, które stopniowo rozkładają elektrolit, osłabiają katodę i prowadzą do powstawania gazów powodujących puchnięcie ogniwa. To właśnie ten cichy, tlenowy sabotaż sprawia, że obietnice kolejnych generacji akumulatorów tak często kończą się rozczarowaniem.
Na tym tle praca zespołu z Ulsan National Institute of Science and Technology wyróżnia się tym, że nie próbuje jedynie łatać skutków ubocznych, ale sięga bezpośrednio do ich źródła. Naukowcy proponują żelowy elektrolit, który nie tylko umożliwia pracę przy wyższym napięciu, lecz przede wszystkim kontroluje, gdzie i w jakiej formie pojawia się tlen. Efektem są wyniki laboratoryjne sugerujące kilkukrotne wydłużenie realnego zasięgu i żywotności ogniw bez konieczności budowania jeszcze cięższych pakietów. Jeśli ta koncepcja obroni się poza laboratorium, może zmienić sposób, w jaki projektowane są akumulatory nie tylko do aut, lecz także do samolotów i magazynów energii.
Naukowcy dorzucili coś do akumulatora. Wynik? Niemal potrojony zasięg i trzy razy dłuższa żywotność
Reaktywne formy tlenu stanowią prawdziwe utrapienie dla wysokonapięciowych akumulatorów. Eksperci porównują ich destrukcyjne działanie do przyspieszonej korozji, bo cząsteczki te rozkładają elektrolit, niszczą strukturę katody i prowadzą do generowania gazów powodujących puchnięcie akumulatorów. Każdy z tych procesów skraca żywotność ogniwa i obniża jego pojemność. Dlatego tak imponująco zapowiada się żelowy elektrolit proponowany przez naukowców, który koncentruje się na źródle problemu, zamiast jedynie łagodzić jego skutki. Kluczową rolę pełni tutaj antracen, czyli związek organiczny działający niczym strażnik kontrolujący uwalnianie tlenu. Jego funkcjonowanie opiera się na dwóch uzupełniających się mechanizmach. Po pierwsze, wiąże niestabilny tlen powierzchniowy bezpośrednio na katodzie, uniemożliwiając jego ucieczkę i przekształcanie w reaktywne formy. Po drugie, wychwytuje już istniejące cząsteczki ROS i neutralizuje je, zanim zdążą zaatakować elektrolit.
Czytaj też: Ani skuter, ani motocykl. Italjet Roadster 400 łamie wszystkie zasady klasyfikacji jednośladów
Dodatkową zaletą są grupy nitrylowe w strukturze polimeru, które wiążą nikiel i zapobiegają jego rozpuszczaniu się z katody. Dzięki temu utrzymują integralność strukturalną elektrody, ograniczając pękanie i degradację. Połączenie tych dwóch mechanizmów (kontroli tlenu przez antracen i stabilizacji niklu przez grupy nitrylowe) przynosi tak spektakularne rezultaty.
Imponujące wyniki testów z redukcją puchnięcia ogniw
Wyniki laboratoryjnych badań prezentują się niezwykle obiecująco. Nowy elektrolit zachował 81% początkowej pojemności po 500 cyklach ładowania przy napięciu 4,55 V, a konwencjonalne akumulatorów przy tak wysokim napięciu tracą pojemność znacznie szybciej. Jeszcze bardziej imponująco wygląda redukcja powstawania gazów, bo w akumulatorach z nowym elektrolitem zaobserwowano puchnięcie na poziomie zaledwie 13 mikrometrów, podczas gdy tradycyjne rozwiązania pęcznieją o około 85 mikrometrów. Oznacza to sześciokrotne zmniejszenie generowania gazów, co ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i trwałości.
Nowa technologia otwiera możliwości zastosowań w obszarach, które dotąd stanowiły wyzwanie. Kontrola chemii tlenu na poziomie elektrolitu umożliwia bezpieczne wykorzystanie wyższych napięć w pakietach akumulatorów, co bezpośrednio przełoży się na większy zasięg pojazdów elektrycznych. Przemysł lotniczy mógłby szczególnie skorzystać na lżejszych systemach magazynowania energii, bo w tej branży każdy zaoszczędzony kilogram ma ogromne znaczenie, a akumulatorami z żelowym elektrolitem można projektować z mniejszymi marginesami bezpieczeństwa dzięki redukcji ryzyka puchnięcia i degradacji.
Czytaj też: Honda łamie zasady inżynierii samochodowej. Elastyczne podwozie to przyszłość motoryzacji
Jednak choć laboratoryjne wyniki wyglądają imponująco, to prawdziwym wyzwaniem będzie skalowanie produkcji i obniżenie kosztów do poziomu umożliwiającego komercjalizację. Warto pamiętać, że wiele obiecujących technologii utknęło na etapie prototypu z powodu problemów produkcyjnych lub zbyt wysokich kosztów. Jeśli jednak koreańskim naukowcom uda się pokonać te bariery, możemy stać u progu znaczącej zmiany w branży magazynowania energii. Technologia wydaje się szczególnie atrakcyjna dla producentów pojazdów premium, gdzie wyższe koszty akumulatorów są łatwiej akceptowalne przy tak znaczącej poprawie parametrów.