Akumulatory „trzy w jednym" zmieniają rynek. Są coraz tańsze, szybsze i wydajniejsze

Gdy człowiek obmyśli jakąś rzecz, zawsze da się ją poprawić. Na tym polegają najprostsze innowacje. Obieramy kierunek, w którym możemy ulepszyć nasz wynalazek. Oczywiście każdy pomysł można ulepszyć na różne strony, na ogół profilując ostateczny produkt ku jakiemuś węższemu, a nie szerszemu użyciu. Znacznie trudniejsze jest stworzenie pomysłu, który zbierze w sobie modyfikacje idące w różnych kierunkach, w poszukiwaniu produktu o jak najszerszym zastosowaniu i największej doskonałości. Takie „trzy w jednym” znamy z półek w drogeriach, ewentualnie z marketów budowlanych. Dziś natomiast o swoim akumulatorze „trzy w jednym” opowiadają na łamach „Nature Energy” uczeni pod kierunkiem prof. Y. Shirley Meng z Chicago Pritzker Molecular Engineering. Ich badania przybliżają rzeczywistość niedrogich, szybko ładujących się baterii o dużej pojemności do pojazdów elektrycznych i magazynowania energii w sieci.

Znane są, choć nadal rzadkie, baterie sodowe – gdzie zamiast drogiego, trudno dostępnego i pozyskiwanego w nieludzkich częstokroć warunkach, także z wykorzystaniem pracy nieletnich (co samo w sobie jest skandalem!) litu wykorzystuje się sód. Jest w fazie eksperymentalnej od 15 lat, pomysły główne są dwa, czyli sodowo-siarkowy oraz sodowo-jonowy wprost mający zastąpić dziś najpowszechniejsze baterie o dobrych parametrach, czyli litowo-jonową. Wiadomo zaś, lit jest drogi, bo rzadki w skorupie ziemskiej, o złożach skoncentrowanych na terenie Chile, Argentyny i Boliwii, przy popycie rosnącym lawinowo. Czyli taniej nie będzie, a drożej na pewno. Sód jest ucieczka z tej pułapki.

Jednak baterie sodowo-jonowe nie tylko są niezdolne do utrzymania silnego ładunku po wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu (po 50 cyklach zachowują jedynie 50 proc. pierwotnej pojemności), to w dodatku magazynują energię w wiązaniach chemicznych anody. (Podczas ładowania, jony Na+ migrują w kierunku anody, a elektrony równoważące ładunek przechodzą z katody do anody zewnętrznym obwodem elektrycznym. W czasie rozładowania zachodzi proces odwrotny – następuje przepływ elektronów z powrotem z anody do katody, a jony Na+ przenikają z powrotem do katody). Jak zatem rozumieć, że nowa bateria z laboratorium ds. magazynowania i konwersji energii University of Chicago Pritzker Molecular Engineering a być bezanodowa?

Jak wyjaśniali już od kilku lat ten nowatorski pomysł specjaliści (istnieje wariant litowy i kompletna „świeżynka” – sodowy), akumulatory zmieniają strukturę materiałów anodowych, ponieważ jony litu przepływają do i z elektrody podczas powtarzającego się ładowania i rozładowywania – właśnie to sprawia że pojemność akumulatorów z czasem maleje. A gdyby tak umożliwić ładowanie i rozładowywanie tylko przy użyciu gołego kolektora prądu bez materiałów anodowych? Gęstość energii określająca pojemność akumulatora wtedy wzrośnie – nawet o 40 proc. w porównaniu z akumulatorami konwencjonalnymi. Nad ty pomyśle – także z opcją siarczkowego elektrolitu stałego, pracowali Koreańczycy.

Baterie bez anody przechowują jony na elektrochemicznym osadzie metalu alkalicznego bezpośrednio na kolektorze prądu, ale wymagany jest tu bardzo dobry kontakt między elektrolitem a kolektorem prądu. To wymagałoby, aby elektrolit był cieczą, a nie ciałem stałym, i niejako omywał katodę.

Pozostaje zatem problem stałego elektrolitu. Jest on po prostu bezpieczniejszy. Daje też szansę nie tylko na mniej widowiskowych pożarów, znacznie bardziej odstręczających od elektromobilności niż koszty pojazdów, ale i na mniejsze gabaryty oraz koszt stosownej baterii ogniw. A zatem akumulator oparty o stały elektrolit łatwiej skalować dla dzisiejszych potrzeb magazynowania energii nie pochodzącej z paliw kopalnych.

Jak jednak na łamach „Rzeczpospolitej” pisał pod koniec ubiegłego roku red. Robert Przybylski: „Po 2030 roku udział baterii ze stałym elektrolitem nie będzie przekraczał 5 proc. rynku, uważają specjaliści z USA. Wskazują, że cały czas nie ma technologii zapewniającej stabilność elektrolitu, naukowcy nie opanowali także wszystkich technologii masowej produkcji takich ogniw. Bill Kephart z firmy doradczej P3 Group wyjaśniał na konferencji North Battery Show 2023, że mało kto ma wiedzę o technologiach produkcji takich ogniw, nie ma także przemysłowych dostawców komponentów.” Czyżby w Illinois i Kalifornii pojawiła się nowa, niezbędna tu technologia? Najpoważniejszym bowiem problemem takich z kolei akumulatorów były dostawy litowych anod – które w nowym rozwiązaniu są zbędne – oraz technologii pełnoskalowej produkcji. To ostatnie zawsze jest największym problemem. Paradoksalnie, we współczesnej cywilizacji naukowo-technicznej nie ma chyba dłuższej drogi, niż między stołem laboratoryjnym a masową produkcją.

Tutaj amerykański zespół badawczy zastosował nowatorskie podejście – zamiast używać elektrolitu otaczającego kolektor prądu, stworzono kolektor prądu, który otacza elektrolit. Kolektor ów jest wykonany z proszku aluminiowego, ciała stałego, które może płynąć jak ciecz. Jak wyjaśniają służby prasowe University of Chicago, „podczas cyklu montażu baterii proszek był zagęszczany pod wysokim ciśnieniem, aby utworzyć stały kolektor prądu, utrzymując jednocześnie pełny, niczym płynny, kontakt z elektrolitem, co umożliwia niedrogie i wydajne cykle, które mogą popchnąć tę przełomową technologię do przodu”. Jak zaś opisują sami amerykańscy chemicy i inżynierowie na łamach „Nature Energy”: „aluminiowy kolektor prądu osiąga bliski kontakt ciało stałe-ciało stałe ze stałym elektrolitem, co umożliwia wysoce odwracalne powlekanie i zdejmowanie sodu zarówno przy dużych pojemnościach powierzchniowych, jak i gęstościach prądu, wcześniej nieosiągalnych przy użyciu konwencjonalnej folii aluminiowej. Całkowicie stała bateria bez anody sodowej jest zaprezentowana jako pełne ogniwo ze stabilnym cyklem przez kilkaset cykli.”

„Chociaż istniały już baterie sodowe, baterie stałe i baterie bez anody, nikomu do tej pory nie udało się pomyślnie połączyć tych trzech pomysłów” — podsumował wszystko Grayson Deysher, doktorant z UC San Diego, pierwszy autor nowego artykułu. Fajny doktorat to będzie, a w dodatku prof. Meng i jeszcze nie doktor Deysher złożyli wniosek patentowy opisujący ich wynalazek w Biurze Innowacji i Komercjalizacji Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Należy im chyba życzyć powodzenia. „Aby Stany Zjednoczone mogły działać przez godzinę, musimy wyprodukować jedną terawatogodzinę energii” — powiedziała dla służb prasowych swojego uniwersytetu prof. Meng. „Aby zrealizować misję dekarbonizacji naszej gospodarki, potrzebujemy kilkuset terawatogodzin baterii. Potrzebujemy więcej baterii i potrzebujemy ich szybko”.