Bateria z miliardami dziur to przełom. Pustka "trzyma" energię

Najciekawsze baterie przyszłości przypominają coś między gąbką a plastrem miodu, a pod mikroskopem – skomplikowany labirynt pełen maleńkich tuneli i zakamarków. Właśnie taki pomysł pokazali naukowcy z UCLA, tworząc hybrydowe urządzenie cynkowo-jonowe z elektrodą wydrukowaną w 3D. Cała sztuczka tkwi w konstrukcji: miliardy mikroskopijnych porów tworzą gigantyczną powierzchnię, na której można zapakować znacznie więcej ładunku niż w tradycyjnych rozwiązaniach.

Naukowcy nie wydrukowali gotowej baterii do telefonu ani akumulatora, który szybko trafi do samochodu elektrycznego. Wydrukowali zaawansowaną elektrodę do cynkowo-jonowego urządzenia hybrydowego, które łączy cechy baterii i superkondensatora.

Jedna strona takiego układu zachowuje się bardziej jak element znany z baterii, czyli magazynuje energię w reakcjach elektrochemicznych. Druga natomiast wykorzystuje elektrodę węglową podobną do tych stosowanych w superkondensatorach, które potrafią bardzo szybko oddawać i przyjmować energię, ale zwykle przechowują jej mniej niż klasyczne akumulatory.

W nowym rozwiązaniu chodzi o magazyn energii, który ładuje się szybko, oddaje moc bez zadyszki, działa długo i może być tańszy oraz bezpieczniejszy niż układy oparte na litu. To brzmi jak lista życzeń dla sieci energetycznej, w której coraz więcej energii pochodzi ze słońca i wiatru.

Rdzeniem pomysłu jest elektroda przypominająca gąbkę albo plaster miodu. Powstała przy użyciu druku 3D z żywicy utwardzanej laserem UV. Najpierw zbudowano trójwymiarowy szkielet, warstwa po warstwie. Potem poddano go obróbce cieplnej i gazowej, zostawiając przewodzący węgiel z otwartymi porami. Na końcu strukturę załadowano tlenkiem wanadu, materiałem zdolnym do magazynowania dużej ilości energii.

To właśnie porowatość jest tu najważniejsza. W typowej płaskiej elektrodzie aktywna powierzchnia jest ograniczona. Można oczywiście próbować nałożyć więcej materiału, ale wtedy pojawiają się problemy: jony trudniej docierają do środka, przewodnictwo spada, a elektroda pracuje nierówno. W trójwymiarowej kratownicy droga dla jonów jest krótsza, powierzchnia większa, a materiał aktywny lepiej rozłożony.

Badacze mówią obrazowo, że w 1 g takiego materiału powierzchnia wewnętrzna po rozwinięciu mogłaby pokryć około 10 kortów tenisowych. To nie jest ładna metafora bez znaczenia. W magazynowaniu ładunku powierzchnia często jest wszystkim. Im więcej miejsc, w których mogą zachodzić procesy elektrochemiczne, tym więcej energii da się upchnąć w niewielkiej objętości.

W tle tego wszystkiego jest cynk, który od lat wraca jako potencjalny konkurent albo uzupełnienie technologii litowo-jonowych. Cynk jest znacznie powszechniejszy, tańszy, łatwiejszy w pozyskiwaniu i prostszy w recyklingu. Do tego wodne układy cynkowe mogą być bezpieczniejsze, bo nie opierają się na łatwopalnych elektrolitach organicznych typowych dla wielu baterii litowo-jonowych.

Pisaliśmy o tym w tekście: Cynk zamiast litu? Jest szansa na nowe, dużo bardziej wytrzymałe baterie. Akumulatory cynkowo-jonowe są kuszące zwłaszcza tam, gdzie masa nie jest aż tak krytyczna jak w aucie, ale liczą się cena, bezpieczeństwo, trwałość i skala. Czyli przede wszystkim w magazynach energii dla sieci, budynków i instalacji odnawialnych.

Nie liczmy na to, że cynk z dnia na dzień wygryzie lit z naszych telefonów czy samochodów. Baterie litowo-jonowe mają za sobą lata rozwoju i ogromne zaplecze przemysłowe, więc jeszcze długo będą rozdawać karty. Cynk może jednak spokojnie znaleźć swoją niszę – tam, gdzie ważniejsze są niskie koszty, bezpieczeństwo i długowieczność niż śrubowanie rekordów gęstości energii.

Chyba najbardziej naturalnym kierunkiem dla takich rozwiązań jest energetyka. Sieć z dużym udziałem fotowoltaiki i wiatraków potrzebuje magazynów, które potrafią szybko przyjmować energię, gdy produkcja jest wysoka, i szybko ją oddawać, gdy zapotrzebowanie rośnie. Klasyczne akumulatory litowo-jonowe już pełnią tę funkcję, ale skala potrzeb jest ogromna.

Tu właśnie zaczyna się sens hybrydy cynkowo-jonowej. Superkondensatory działają jak sprinterzy: błyskawicznie przyjmują i oddają energię, ale nie potrafią jej długo przechować. Baterie są bardziej jak maratończycy – magazynują jej dużo, lecz robią to wolniej i z czasem się zużywają. Hybrydowe rozwiązanie próbuje połączyć te dwa światy, biorąc od każdego to, co najlepsze.

Nowa elektroda z UCLA pozwoliła przechować ponad 7 razy więcej ładunku niż podobne hybrydowe rozwiązania. Co ważne, po 1500 cyklach ładowania i rozładowania urządzenie zachowało 82 proc. początkowej pojemności. To nadal laboratoryjny wynik, ale pokazuje, że sama geometria elektrody może radykalnie zmienić zachowanie całego układu.

Najważniejszą zaletą druku 3D nie jest tutaj efektowność. Nie chodzi o to, że wydrukowano baterię. Chodzi o precyzyjne projektowanie mikrostruktury. Naukowcy mogą decydować, jak wygląda szkielet elektrody, jak rozłożone są pory i jak materiał będzie przewodził elektrony oraz przepuszczał jony.

W tradycyjnych metodach produkcji elektrod bardzo często stosuje się pasty nanoszone na kolektory prądowe. To działa, ale przy dużym obciążeniu materiałem aktywnym pojawiają się ograniczenia. Gruba warstwa może magazynować więcej energii teoretycznie, ale praktycznie nie cała pracuje równie dobrze. Część materiału staje się słabo dostępna, a przepływ jonów i elektronów robi się wolniejszy.

Część tego problemu rozwiązuje trójwymiarowa kratownic. Materiał aktywny nie leży jako gruba, zbita warstwa. Jest rozłożony po wewnętrznych powierzchniach porowatego rusztowania. To trochę jak różnica między jedną grubą bryłą, a bardzo drobną gąbką: ta druga ma znacznie więcej kontaktu z otoczeniem.

Sama porowata konstrukcja nie wystarczyłaby bez odpowiedniego materiału aktywnego. W tym przypadku badacze wykorzystali tlenek wanadu. To związek znany z badań nad magazynowaniem energii, bo potrafi przechowywać ładunek dzięki odwracalnym procesom elektrochemicznym.

Tlenek wanadu umieszczony w porowatym węglowym szkielecie dostaje dużą powierzchnię kontaktu z elektrolitem i dobrą ścieżkę przewodzenia elektronów. Dzięki temu można załadować elektrodę dużą ilością materiału aktywnego, nie zabijając przy tym szybkości działania.

Tu właśnie kryje się największy spryt tego projektu. Naukowcy nie skupili się na tym, żeby po prostu dodać więcej materiału, tylko żeby ten materiał naprawdę pracował. W świecie baterii i superkondensatorów to robi kolosalną różnicę. Bo jeśli jony nie mogą się do czegoś łatwo dostać, to taki materiał jest trochę jak magazyn z zamkniętymi drzwiami – stoi, zajmuje miejsce, ale w kluczowym momencie nie da się z niego skorzystać.

Wygląda na to, że przyszłość baterii to nie tylko polowanie na nowy, magiczny pierwiastek czy elektrolit z kosmosu. Coraz większą rolę gra sprytne projektowanie wnętrza: gdzie zrobić dziurę, którędy poprowadzić kanał, jak ułożyć warstwy i ścieżki, żeby jony miały autostradę zamiast korków.

Pisaliśmy o podobnym podejściu w tekście: Gąbka, która zastąpi baterię. Koreańczycy mają na to sposób. Tam również pojawiła się idea materiału, który dzięki swojej strukturze rozwiązuje problem trapiący baterie cynkowe. W akumulatorach przyszłości geometria może być równie ważna jak chemia.

Przeczytaj także:

Zaletą cynkowych układów wodnych jest też bezpieczeństwo. Akumulatory litowo-jonowe są bardzo dobre, ale w wielu zastosowaniach wymagają starannego zarządzania temperaturą, ochrony przed uszkodzeniem i kontroli pracy. Przy dużych magazynach energii kwestia bezpieczeństwa robi się szczególnie ważna, bo mówimy o instalacjach stojących obok budynków, farm słonecznych, stacji transformatorowych czy infrastruktury publicznej.

Największa wartość tego badania tkwi chyba w pokazaniu, że bateria nie musi być ulepszana wyłącznie przez nową chemię. Czasem wystarczy bardzo sprytnie zaprojektować miejsce, w którym ta chemia pracuje. Zamiast wciskać coraz więcej materiału w płaską warstwę, można zbudować trójwymiarowy szkielet pełen porów i sprawić, że prawie każdy fragment zacznie brać udział w magazynowaniu ładunku.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI