Zrobili akumulator lubiący zimno. Koniec z problemami na mrozie
Zwykłe akumulatory litowo-jonowe w mroźny poranek potrafią oddać tylko ułamek swojej normalnej pojemności. Udowodnili jednak, że da się zbudować ogniwo, które pracuje sprawnie nawet przy -50 st. C. I to z gęstością energii znacznie wyższą niż w obecnych bateriach do samochodów elektrycznych.
W każdej baterii, od smartfona po samochód elektryczny jony litu wędrują tam i z powrotem między dwiema elektrodami – anodą i katodą. Pośrodku znajduje się elektrolit, czyli ciecz lub żel przewodzący jony. To coś w rodzaju toru dla ładunku elektrycznego.
Problem jednak w tym, że większość stosowanych dziś elektrolitów to mieszaniny organicznych rozpuszczalników zawierających tlen i azot. Takie cząsteczki chętnie przyklejają się do jonów litu – wiążą je mocno, tworząc otoczkę zwaną powłoką solwatacyjną. W temperaturze pokojowej ten układ jeszcze działa, choć i tak ogranicza szybkość ładowania. Gdy robi się zimno, lepkość elektrolitu rośnie, jony poruszają się coraz wolniej, a na granicy elektrolitu z elektrodą zachodzą niekorzystne reakcje.
Efekt użytkowy jest dobrze znany kierowcom elektryków. Przy dużym mrozie rzeczywisty zasięg auta na prąd potrafi spaść o kilkadziesiąt proc., a ładowanie staje się uciążliwie wolne. W skrajnych warunkach ogniwo trzeba po prostu ogrzać, żeby w ogóle ruszyło.
HFC – elektrolit z klimatyzacji w sercu baterii
Zespół z Nankai University postanowił sięgnąć po grupę związków chemicznych, które do tej pory kojarzyły się raczej z chłodziarkami i klimatyzacją. Chodzi o hydrofluorowęglowodory, w skrócie HFC. Są to cząsteczki zawierające węgiel, wodór i fluor, o niskiej lepkości, szerokim oknie stabilności elektrochemicznej i bardzo niskich temperaturach topnienia.
Same z siebie nie są jednak elektrolitem idealnym. W dotychczasowych próbach miały problemy z rozpuszczaniem soli litu i stabilnością przy kontakcie z metalicznym litem. Nowa praca pokazuje, że tę słabość da się jednak obejść, jeśli precyzyjnie zaprojektuje się cząsteczkę HFC. Kluczem jest wzmocnienie zasadowości Lewisa atomów fluoru, czyli ich zdolności do dogadywania się z dodatnio naładowanym jonem litu.
Badacze zsyntezowali i przebadali 6 różnych rozpuszczalników HFC. Okazało się, że odpowiednio dobrane cząsteczki potrafią rozpuścić sól litu w stężeniu powyżej 2 moli na litr. To poziom porównywalny z komercyjnymi elektrolitami. Najlepsze wyniki dał rozpuszczalnik oparty na 1,3-difluoropropanie, który trafił później do testowych ogniw.
Słaba więź, szybkie jony. Co w tej chemii jest nowe?
Różnica między klasycznym elektrolitem a wersją HFC nie polega tylko na innej nazwie rozpuszczalnika. W tradycyjnych układach jon litu otoczony jest przede wszystkim atomami tlenu. Tworzą one z nim dość silne oddziaływania, przez co oderwanie jonu od tej chmury i wciśnięcie go w materiał elektrody wymaga energii i czasu.
W elektrolitach HFC pierwszą warstwę otoczenia jonów litu tworzą atomy fluoru. Ich oddziaływanie z litem jest znacznie słabsze, więc z punktu widzenia baterii jony łatwiej przeskakują z elektrolitu do elektrody i z powrotem. To przekłada się na lepszą kinetykę reakcji – szczególnie ważną, gdy temperatura spada i wszystko w komórce chemicznej zwalnia.
Co więcej, wybrany przez naukowców elektrolit HFC ma bardzo niską lepkość i zachowuje mierzalne przewodnictwo jonowe nawet przy -70 st. C. W testach uzyskano sprawność cykli ładowania i rozładowania sięgającą około 99,7 proc., czyli niemal całość wprowadzonego ładunku wraca w kolejnym cyklu.
700 Wh/kg w pokoju, około 400 Wh/kg na mrozie
Najbardziej spektakularne liczby pojawiają się, gdy spojrzymy na pełne ogniwa, a nie tylko na parametry samego elektrolitu. Zespół z Nankai University zbudował cienkie akumulatory w foliowych obudowach, z anodą z metalicznego litu i wysokoenergetyczną katodą.
Przy umiarkowanej ilości elektrolitu (mniej niż 0,5 g na amperogodzinę pojemności) ogniwa osiągnęły gęstość energii przekraczającą 700 Wh/kg w temperaturze pokojowej. Dla porównania, nowoczesne akumulatory litowo-jonowe w autach elektrycznych mieszczą się zazwyczaj w przedziale około 250-270 Wh/kg. Nawet biorąc poprawkę na to, że wyniki laboratoryjne są zwykle lepsze niż w seryjnych pakietach, skok jest naprawdę imponujący.
Jeszcze ciekawiej robi się, gdy badacze obniżają temperaturę do -50 st. C. W takich warunkach wiele komercyjnych ogniw praktycznie przestaje normalnie pracować – wewnętrzny opór rośnie, zakres użytecznej pojemności dramatycznie się kurczy. Tymczasem prototypowe baterie z elektrolitem HFC utrzymują około 400 Wh/kg, czyli więcej niż typowy akumulator samochodowy w cieplejszych, komfortowych warunkach.
Co to oznacza dla aut, dronów i energetyki?
Jeśli tę chemię uda się kiedyś przenieść z laboratorium do masowej produkcji, lista potencjalnych zastosowań może być naprawdę długa. Pierwsze skojarzenie to oczywiście samochody elektryczne. Wysoka gęstość energii w niskiej temperaturze oznacza mniejsze pakiety baterii przy tym samym zasięgu albo taki sam pakiet, który nie kurczy się zimą o połowę.
Podobnie skorzystałyby drony wykorzystywane w górach, w regionach polarnych czy w zastosowaniach militarnych, gdzie misje rozpoznawcze i logistyczne nie mogą czekać na odwilż. Natomiast dla systemów magazynowania energii w sieciach energetycznych stabilna praca ogniw w niskiej temperaturze mogłaby obniżyć koszty – mniej energii trzeba byłoby przeznaczać na ogrzewanie magazynu, a same baterie mogłyby stać bliżej odbiorców w chłodniejszych regionach.
Na horyzoncie są też bardziej niszowe, ale ważne scenariusze, a mianowicie zasilanie instrumentów naukowych na stacjach polarnych, urządzeń w górnictwie czy sprzętu wojskowego działającego w ekstremalnych warunkach. W takich miejscach każdy dodatkowa watogodzina schowana w kilogramie baterii oraz odporność na mróz przekładają się na bezpieczeństwo i koszty operacji.
Mroźna przyszłość baterii
Historia badań nad akumulatorami uczy, że rewolucje rzadko kiedy dzieją się z dnia na dzień. Częściej mamy do czynienia z serią drobnych usprawnień, które dopiero z perspektywy lat okazują się przełomem. Elektrolity HFC mogą być jednym z takich kroków – mniej spektakularnym, ale fundamentalnym z punktu widzenia fizyki procesów zachodzących wewnątrz ogniwa.
Przeczytaj także:
Jeżeli koncepcja luźniejszej koordynacji jonów litu przez fluor w lekkim rozpuszczalniku obroni się w dalszych badaniach, projektanci baterii dostaną do ręki nowe narzędzie. Z jego pomocą da się przekroczyć dotychczasowy sufit gęstości energii i przestać traktować zimę jak naturalnego wroga pojazdów elektrycznych i magazynów energii.
