Szwajcarzy twierdzą, że udało im się opracować metodę, która radzi sobie z tymi fundamentalnymi wyzwaniami. Ich rozwiązanie, o ile spełni oczekiwania po wyjściu z laboratorium, może znacząco przybliżyć moment, gdy bezpieczniejsze i pojemniejsze ogniwa trafią do naszych urządzeń.
Walka o akumulatory ze stałym elektrolitem trwa. Dwa problemy, jedno rozwiązanie
Akumulatory ze stałym elektrolitem, w których tradycyjny, łatwopalny elektrolit w formie cieczy zastępuje się stałym materiałem przewodzącym jony, od dawna są przedmiotem zainteresowania naukowców. Oferują one bowiem wyższą gęstość energii i eliminują ryzyko pożaru, ale ich rozwój hamują dwie kluczowe kwestie. Pierwszą jest powstawanie dendrytów, czyli mikroskopijnych, igłowatych struktur litowych, które podczas ładowania rosną na anodzie i mogą przebić separator, prowadząc do zwarcia i uszkodzenia ogniwa. Drugim wyzwaniem jest chemiczna niestabilność na styku metalicznej anody litowej i stałego elektrolitu, co powoduje stopniową degradację i spadek wydajności akumulatora.
Czytaj też: Wrzucasz słomę, wyciągasz paliwo przyszłości. Ekologiczny wodór wreszcie tańszy od gazu
Zespół kierowany przez Mario El Kazziego postanowił zaadresować oba te problemy jednocześnie. Opracowana przez specjalistów technika łączy specjalny proces zagęszczania materiału elektrolitu z nałożeniem ochronnej powłoki na anodę. Podstawą rozwiązania jest argyrodyt, czyli minerał oparty na siarczkach litu, fosforu i siarki, który charakteryzuje się bardzo dobrą przewodnością jonów litu. Kluczem okazało się jego odpowiednie zagęszczenie. Standardowe metody spiekania wymagają wysokich temperatur, które mogą zniszczyć delikatną strukturę tego materiału. Szwajcarscy naukowcy zastosowali łagodniejsze warunki, bo proponowany przez nich proces przebiega w temperaturze jedynie 80 stopni Celsjusza przy umiarkowanym ciśnieniu. Rezultatem jest zwarta, gęsta mikrostruktura, stanowiąca skuteczną barierę dla wdzierających się dendrytów.
Czytaj też: Rewolucja na rynku okien. Zapomnij o podłączaniu szyb do prądu
Druga część metody to zabezpieczenie samej anody. Na jej powierzchnię specjaliści nanieśli niezwykle cienką, liczącą zaledwie 65 nanometrów, warstwę fluorku litu. Ta niemal niewidoczna powłoka pełni podwójną rolę, bo zapobiega niepożądanym reakcjom chemicznym między litem a elektrolitem oraz tworzy dodatkową przeszkodę fizyczną dla dendrytów. Cały proces jest relatywnie mało energochłonny, co przy masowej skali produkcji mogłoby przełożyć się na niższe koszty.
Jak spisał się taki akumulator w praktyce? Czy to czas na wdrożenie produkcyjne?
Podczas laboratoryjnych testów eksperymentalne ogniwo zostało poddane intensywnym cyklom ładowania i rozładowania. Wyniki są zachęcające, bo po 500 takich cyklach akumulator zachował około 75 procent swojej początkowej pojemności. Zdaniem autorów pracy, to jeden z najlepszych wyników dotąd osiągniętych dla tego typu akumulatorów. Jeśli więc uda się go powtórzyć w warunkach przemysłowych, ogniwa półprzewodnikowe mogłyby realnie konkurować z konwencjonalnymi pod względem żywotności, a nawet ją przewyższać i to wszystko przy jednoczesnej wyższej gęstości energii. Potencjalne obszary zastosowań są szerokie – od elektroniki użytkowej i samochodów elektrycznych po stacjonarne magazyny energii.
Czytaj też: Chiny pokonały blackouty. Już 12 krajów uwierzyło w ich dzieło
Mario El Kazzi wyraża przekonanie, że jego zespół opracował rozwiązanie gotowe do wdrożenia na skalę przemysłową i aktualnie wymagające jedynie drobnych dopracowań. Brzmi to optymistycznie, lecz doświadczenie uczy, że droga od obiecującego prototypu laboratoryjnego do produktu na sklepowej półce bywa długa i wyboista. Kluczowe będzie to, czy producenci akumulatorów dostrzegą w tej metodzie nie tylko skuteczność, ale także opłacalność i skalowalność.