Dopóki wszystko funkcjonuje zgodnie z założeniami, nie zaprzątamy sobie tym głowy. Gdy jednak pojawi się pożar samochodu elektrycznego albo spektakularna awaria elektroniki, to nagle widać, jak wysoką cenę czasem płacimy za gęstość energii i szybkie ładowanie. Dlatego też od lat oczywistym kierunkiem rozwoju są akumulatory ze stałym elektrolitem, w których zamiast płynu pracuje ciało stałe. Te ogniwa z definicji są bezpieczniejsze, ale płacą za to spadkiem przewodności jonów litu, a więc także wydajności i szybkości ładowania. Zespół z Kennesaw State University proponuje interesującą próbę pogodzenia tych sprzecznych wymagań.
W centrum tej historii znajduje się pozornie drobna modyfikacja z udziałem siarki oraz eksperyment, który początkowo wymknął się spod kontroli, a później okazał się punktem wyjścia do nowej strategii projektowania elektrolitów.
Siarka przyspiesza jony litu. Kluczowa modyfikacja w elektrolicie
Badacze pod kierunkiem Beibei Jiang pracują nad kompozytowym elektrolitem półstałym, który łączy w sobie materiały ceramiczne i polimerowe. Innowacja polega na dodaniu modyfikacji chemicznej opartej na siarce. Jej zadaniem jest zmniejszenie oporów na granicach faz między różnymi składnikami elektrolitu, co w praktyce ułatwia jonom litu przemieszczanie się.
Jony litu są jak samochody na autostradzie. Nasza modyfikacja siarką jest jak wygładzanie tej autostrady, aby jony [litu] mogły poruszać się szybciej, co oznacza, że akumulator może ładować się szybciej i działać lepiej – powiedział Beibei Jiang, Kennesaw State University.
Tradycyjne, w pełni stałe elektrolity eliminują ryzyko wycieku i pożaru, ale spowalniają cały proces. Kompozytowe podejście z siarką ma szansę zaoferować to, co najlepsze z obu światów: bezpieczeństwo porównywalne z akumulatorami półstałymi i wydajność zbliżoną do konwencjonalnych ogniw litowo-jonowych. Stanowi to więc ważny krok, choć wciąż na poziomie badań podstawowych.
Czytaj też: Zaskakujący efekt obróbki stali. Akumulator nie rośnie, ale zasięg już tak
W praktyce mówimy o tzw. elektrolicie kompozytowym: w jednym materiale łączone są fazy ceramiczne o wysokiej przewodności jonowej oraz polimer, który nadaje całości elastyczność i ułatwia kontakt z elektrodami. Ceramika typu LLZO (lit-lantan-cyrkon-tantal-tlen) znana jest z bardzo dobrych parametrów, ale jest krucha i trudna we współpracy z elektrodami. Polimer odwrotnie – świetnie układa się na powierzchni, lecz sam z siebie przewodzi jony litu gorzej niż najlepsze materiały ceramiczne. Kompozyt ma więc połączyć zalety obu światów, a z osiągnięciem naukowców, zrobi to bez dodatkowego oporu, niszczącego ten pomysł.
Zastosowane grupy chemiczne z udziałem siarki poprawiają przyczepność między cząstkami ceramiki a polimerem i jednocześnie ułatwiają transport jonów litu wzdłuż tych interfejsów. W jednym z eksperymentów udało się uzyskać przewodność rzędu 5,1 × 10⁻⁴ S/cm, czyli wartość, która w warunkach laboratoryjnych przewyższa deklarowane parametry samego materiału ceramicznego dostarczonego przez producenta. To nadal mniej niż w typowych ciekłych elektrolitach, ale jak na stały układ kompozytowy jest to bardzo obiecujący wynik, zwłaszcza jeśli towarzyszy mu poprawa własności mechanicznych i stabilności chemicznej.
Cyrkon i siarka. Przypadkowe odkrycie, które zmienia reguły gry
Podczas eksperymentów naukowcy zaobserwowali zjawisko, którego zupełnie się nie spodziewali. Reakcja chemiczna między siarką a cyrkonem obecnym w ceramicznej części elektrolitu przebiegła w sposób gwałtowny i niemal natychmiastowy. Dalsza analiza ujawniła silną, wcześniej nieopisaną interakcję między tymi dwoma pierwiastkami. Zespół z Kennesaw State twierdzi, że jest pierwszą grupą, która zidentyfikowała ten specyficzny mechanizm i jego bezpośredni wpływ na poprawę parametrów akumulatorów.
Czytaj też: Pierwsze takie osiedle w Polsce, w którym ciepło będzie darmowe
Odkrycie to otwiera nowe możliwości w projektowaniu materiałów dla ogniw nowej generacji. Zrozumienie subtelnych interakcji na poziomie molekularnym może pomóc w optymalizacji nie tylko elektrolitów, ale także innych kluczowych komponentów przyszłych akumulatorów. Takie podejście ma szersze konsekwencje niż tylko jeden elektrochemiczny układ. Jeśli metaliczno-siarkowe oddziaływania da się kontrolować na etapie wytwarzania, ten sam mechanizm można teoretycznie przenieść do innych kompozytów polimerowo-ceramicznych. Otwiera to drogę do projektowania elektrolitów od końca, bo najpierw definiujemy pożądany sposób transportu jonów oraz parametry mechaniczne, a dopiero potem dobieramy składniki i ich interakcje tak, by zbudować odpowiednią ścieżkę przewodzącą. W przypadku akumulatorów stałych, które do tej pory często przegrywały parametrami z klasycznymi ogniwami, taka zmiana filozofii projektowania może okazać się równie ważna, co samo odkrycie konkretnego materiału.
Droga do masowej produkcji. Dlaczego na powszechne akumulatory półstałe jeszcze poczekamy?
Warto podkreślić, że na tym etapie mówimy o prototypowych ogniwach laboratoryjnych, budowanych zwykle w formacie małych ogniw typu coin cell. To znakomite narzędzie do badania przewodności, stabilności chemicznej czy zachowania materiału podczas kilku, kilkudziesięciu albo kilkuset cykli. Do komercyjnej produkcji akumulatorów trakcyjnych czy dużych magazynów energii dzieli je jednak cały łańcuch pośrednich etapów: skalowanie procesu syntezy, integracja z elektrodami o dużej pojemności, testy starzeniowe trwające miesiące i lata, a na końcu dopasowanie do istniejących linii produkcyjnych lub budowa zupełnie nowych. Chinom już się to jednak udało.
Czytaj też: Jeden związek chemiczny zamiast dwóch materiałów. Nowy pomysł na tańsze organiczne panele słoneczne
Grant rzędu 200 tysięcy dolarów, który finansuje badania Jiang, to typowy poziom wsparcia dla projektów na pograniczu badań podstawowych i stosowanych. To kwota wystarczająca, by zatrudnić zespół, wyposażyć laboratorium i wygenerować twarde dane, ale zdecydowanie niewystarczająca, by samodzielnie doprowadzić technologię do fabryki. Kolejne kroki będą wymagały zaangażowania większych konsorcjów, być może wspólnie z przemysłem motoryzacyjnym lub producentami elektroniki. Równolegle toczy się wyścig o to, kto pierwszy pokaże nie tylko działający prototyp, ale też opłacalny model masowej produkcji. Znane firmy z branży motoryzacyjnej, jak Toyota, oraz wyspecjalizowane spółki skupione tylko na akumulatorach stałych intensywnie testują własne koncepcje już od wielu lat.
Wyścig o lepsze akumulatory to już nie “jedna słuszna droga”
Historia siarki i cyrkonu w jednym elektrolicie dobrze pokazuje, czym dziś naprawdę jest wyścig o lepsze akumulatory. To już nie jest prosty konkurs na większą pojemność w tej samej objętości, ale zmaganie z subtelną chemią interfejsów, stabilnością długoterminową i możliwością powtarzalnej produkcji. Z punktu widzenia użytkownika liczy się to, czy samochód elektryczny przejedzie dalej i będzie bezpieczniejszy, a telefon przestanie się niepokojąco nagrzewać przy szybkim ładowaniu. Z punktu widzenia inżynierów właśnie takie badania, jak praca zespołu Beibei Jiang, przesuwają granicę tego, co da się realnie osiągnąć.
Nawet jeśli ostatecznie rynek zdominuje inna koncepcja (na przykład ogniwa sodowo-jonowe w tańszych zastosowaniach i akumulatory litowo-metalowe w segmencie premium), to samo zrozumienie roli siarki i cyrkonu pozostanie ważnym elementem wiedzy, na której będą opierać się kolejne generacje materiałów. W świecie, w którym magazynowanie energii staje się nową infrastrukturą krytyczną, takie pozornie niszowe odkrycia mają znaczenie znacznie większe, niż sugerowałby ich laboratoryjny rodowód.