Takich akumulatorów potrzebuje ludzkość. Są już gotowe do produkcji
Świat stoi na progu elektrycznej rewolucji. Samochody elektryczne stają się coraz popularniejsze, a producenci prześcigają się w tworzeniu coraz bardziej wydajnych modeli. Jednak zasięg wciąż pozostaje jedną z głównych barier dla wielu potencjalnych nabywców. Na szczęście naukowcy z ETH Zurich mogą mieć rozwiązanie tego problemu.
Opracowali oni nową metodę produkcji baterii litowo-metalowych, która wykorzystuje znacznie mniej szkodliwego dla środowiska fluoru. To może przełożyć się na znaczące zwiększenie zasięgu aut elektrycznych, a także obniżyć koszty ich produkcji.
Akumulatory litowo-metalowe - o co chodzi
O nowych akumulatorach słyszymy niemal codziennie. Nie powinien być to jednak powód do marudzenia, wręcz przeciwnie. Oznacza to, że naukowcy, naprawdę tęgie umysły na całym świecie nieustannie pracują nad tym, by stworzyć nową generację ultrawydajnych i błyskawicznie ładowanych akumulatorów. Żyjemy w czasie elektrycznej rewolucji, która zaczyna się dopiero rozkręcać, a my mamy okazję przyglądać się jej z bliska.
Wśród obiecujących akumulatorów o dużej wydajności nowej generacji prym wiodą: akumulatory litowo-metalowe. Mogą przechowywać co najmniej dwa razy więcej energii na jednostkę objętości niż powszechnie stosowane obecnie akumulatory litowo-jonowe. Oznacza to, że samochód elektryczny może przejechać na jednym ładowaniu dwa razy więcej lub Twój smartfon musi być ładowany rzadziej.
Jednak akumulatory litowo-metalowe mają obecnie jedną zasadniczą wadę: do ciekłego elektrolitu trzeba dodawać duże ilości rozpuszczalników i soli zawierających fluor, co odbywa się kosztem ich śladu ekologicznego. Bez fluoru akumulatory litowo-metalowe byłyby niestabilne, przestałyby działać po kilku cyklach ładowania, mogłoby dojść do zwarcia lub przegrzania i zapalenia się.
Maria Lukatskaya, profesor elektrochemicznych systemów energetycznych na Politechnice Federalnej w Zurychu (ETH Zurich) i jej zespół opracowali nową metodę drastycznego zmniejszenia ilości fluoru w akumulatorach litowo-metalowych, dzięki czemu są one bardziej przyjazne dla środowiska, a także bardziej stabilne i opłacalne.
Więcej o akumulatorach i bateriach przyszłości przeczytasz na Spider`s Web:
Wydajność i bezpieczeństwo dzięki stabilnej warstwie ochronnej
Fluorowane związki zawarte w elektrolicie pomagają utworzyć warstwę ochronną wokół metalicznego litu na ujemnym biegunie akumulatora.
Możemy porównać tę warstwę ochronną do szkliwa zębów. Chroni lit metaliczny przed ciągłą reakcją ze składnikami elektrolitu. Bez tej warstwy ochronnej elektrolit szybko wyczerpałby się podczas ładowania, ogniwo uległoby awarii, a brak stabilnej warstwy ochronnej spowodowałby, że podczas ładowania zamiast jednolitej, płaskiej warstwy tworzyłyby się kolce litowo-metalowe – dendryty
– wyjaśnia Lukatskaya.
Jeśli dendryty dotrą do bieguna dodatniego, nastąpi zwarcie i akumulator może nagrzać się do tego stopnia, że ulegnie zapłonowi. Kontrolowanie właściwości warstwy ochronnej ma zatem kluczowe znaczenie dla wydajności akumulatora. Stabilna warstwa ochronna zwiększa wydajność, bezpieczeństwo i żywotność akumulatora.
Minimalizuj zawartość fluoru
Badacze zastanawiali się, jak zmniejszyć ilość dodawanego fluoru bez utraty stabilności warstwy ochronnej. Ich nowo opracowana metoda wykorzystuje przyciąganie elektrostatyczne w celu osiągnięcia pożądanej reakcji.
Naukowcy z ETH opracowali koncepcję, w której naładowane elektrycznie cząsteczki zawierające fluor służą jako nośniki wprowadzające fluor do warstwy ochronnej. W ten sposób wymagają jedynie 0,1 proc. fluoru w płynie elektrolitowym, czyli co najmniej 20 razy mniej niż w poprzednich badaniach.
Jednym z największych wyzwań było znalezienie właściwej cząsteczki, do której mógłby zostać przyłączony fluor i która również uległaby rozkładowi w odpowiednich warunkach po dotarciu do metalicznego litu.
Główną zaletą tej metody jest to, że można ją płynnie zintegrować z istniejącym procesem produkcyjnym, nie generując dodatkowych kosztów związanych z adaptacją obiektu produkcyjnego. W laboratorium baterie były wielkości monety.
W niedawno opublikowanym badaniu w czasopiśmie Energy & Environmental Science badacze ETH opisują swoją nowo opracowaną metodę i jej podstawowe zasady.
Co to oznacza dla przyszłości?
Nowa technologia akumulatorów litowo-metalowych może mieć ogromny wpływ na przyszłość elektromobilności. Jeśli uda się pokonać wyzwania związane z ich stabilnością, mogą one stać się dominującym typem baterii w samochodach elektrycznych.
Oznaczałoby to znaczące zwiększenie zasięgu samochodów, co z kolei mogłoby przyspieszyć ich wdrożenie na masową skalę. Dodatkowo, zmniejszenie zużycia fluoru w produkcji baterii byłoby korzystne dla środowiska.
