Zespół naukowców z Georgia Institute of Technology dokonał właśnie ciekawego odkrycia, które stawia na głowie dotychczasowe podejście do ładowania akumulatorów. Badacze pod kierunkiem Hailonga Chena zauważyli, że w przypadku akumulatorów cynkowo-jonowych szybkie ładowanie może przynosić zupełnie odwrotne efekty niż w technologii litowo-jonowej. To może otwierać drogę do tańszych i bezpieczniejszych alternatyw dla obecnie dominujących rozwiązań.
Naprawiają się, zamiast niszczyć. Te akumulatory po prostu trzeba ładować szybko
Opublikowane niedawno wyniki badań brzmią niemal nieprawdopodobnie. Chen i jego zespół odkryli, że wysokie prądy ładowania hamują powstawanie dendrytów, które są główną przyczyną degradacji akumulatorów cynkowo-jonowych. Są to mikroskopijne, igiełkowate struktury (w tym przypadku cynku) rosnące podczas ładowania. Przypominają lodowe kryształy na szybie, ale zamiast dodawać uroku, są destrukcyjne, bo mogą przebijać wewnętrzne membrany akumulatora, powodować zwarcia i prowadzić do całkowitej awarii.
Czytaj też: Branża EV stoi przed gigantycznym wyzwaniem produkcyjnym. Potrzeba ogniw dla 142 milionów pojazdów
Podczas gdy tradycyjne podejście zakładało, że intensywne ładowanie prowadzi do chaotycznego wzrostu metalicznych struktur wewnątrz akumulatorów, to w przypadku cynku zaobserwowano coś zupełnie przeciwnego. Wysokie gęstości prądu powodują osadzanie się cynku w gładkich, zwartych warstwach, co przypomina starannie ułożone książki na półce. Zespół zaobserwował, że osadzanie przy wysokiej gęstości prądu ładowania skutkuje gęstą i płaską warstwą cynku o określonej teksturze, podczas gdy wolne ładowanie prowadzi do porowatej i dendrytycznej morfologii. W testach różnica była znacząca, bo ogniwa ładowane przy 60 mA/cm² przetrwały ponad 400 cykli, podczas gdy te ładowane przy 10 mA/cm² wytrzymały jedynie około 220 cykli.
Czytaj też: Darmowy prąd w kilka godzin. Minisystemy fotowoltaiczne do samodzielnego montażu biją rekordy
Kluczem do tego przełomu było stworzenie innowacyjnego narzędzia badawczego. Naukowcy opracowali system wysokoprzepustowej dyfrakcji rentgenowskiej, który pozwala obserwować zachowanie cynku w czasie rzeczywistym pod wieloma warunkami w jednym przebiegu, z możliwością skalowania do setek punktów. Na podstawie swoich odkryć zespół zaproponował trzy kluczowe wytyczne dla przyszłych protokołów ładowania. Pierwsza zaleca rozpoczęcie cyklu wysokim prądem w celu utworzenia pożądanej tekstury cynku. Druga przestrzega przed długotrwałym ładowaniem niskim prądem, chyba że odpowiednia struktura już się uformowała. Najciekawsza jest trzecia zasada, która wskazuje na okresowe odświeżanie akumulatorów z wysokim prądu o wysokim natężeniu. Protokół łączący 40 cykli przy niskim prądzie z 10 cyklami przy wysokim prądzie wydłużył żywotność akumulatora z około 300 do ponad 500 cykli.
Mechanizm tego zjawiska naukowcy nazwali ewolucyjnym wyborem orientacji. Podczas szybkiego ładowania płytkowe cząstki cynku o kształcie heksagonalnym rosną szybciej w płaszczyźnie, skutecznie “grzebiąc” te o chaotycznej orientacji. To jak porządkowanie biblioteki, gdzie systematyczne układanie książek wypiera przypadkowy bałagan. Dlaczego to ważne? Bo choć akumulatory litowo-jonowe dominują w elektronice, to ich supremacja ma swoją cenę. Opierają się na rzadkich materiałach, niosą ze sobą ryzyko pożaru i są drogie w produkcji. Lit, choć lekki i wydajny, staje się coraz droższy wraz ze wzrostem popytu na pojazdy elektryczne. Cynk oferuje zupełnie inną filozofię. To jeden z najobficiej występujących metali na Ziemi – wydobywany w wielu miejscach, tani i przyjazny środowisku. Gdyby tego było mało, akumulatory cynkowo-jonowe są niepalne, bezpieczniejsze dla środowiska i łatwiejsze do recyklingu. Nie generują też ryzyka eksplozji czy toksycznych oparów.
Czytaj też: Kryzys w energetycznej transformacji. Pompy ciepła nie takie wspaniałe?
Potencjalne zastosowania wydają się szerokie i obiecujące. Główny naukowiec widzi przyszłość, w której ulepszone przez niego akumulatory będą magazynować energię słoneczną w domach, stabilizować sieci energetyczne i służyć jako niezawodne zasilanie awaryjne. Pozostaje jednak pewien sceptycyzm, bo aktualnie wyzwaniem jest udoskonalenie katody. Podczas gdy strona anody została wyraźnie poprawiona, to druga sfera akumulatora cynkowo-jonowego nadal wymaga ulepszeń dla zapewnienia niezawodnego działania całego systemu. Dlatego też zespół eksperymentuje również z mieszankami cynku połączonymi z innymi materiałami. Jeśli prognozy się sprawdzą, to za kilka lat możemy mieć dostęp do tanich, bezpiecznych akumulatorów, które ładują się szybciej i służą dłużej niż obecne rozwiązania. To może być kluczowy krok w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości energetycznej, choć jak zawsze w przypadku obiecujących technologii laboratoryjnych, droga do komercjalizacji bywa długa i wyboista.