Baterie nowej generacji coraz bliżej Łukasz Kruczkowski

W pracy opu­bli­ko­wa­nej w naj­now­szym nu­me­rze Na­tu­re Na­no­tech­no­lo­gy, na­ukow­cy z Uni­wer­sy­te­tu Stand­for­da przed­sta­wi­li swoje osią­gnię­cie, które przy­bli­ża do stwo­rze­nia anody z czy­ste­go litu - przez nie­któ­rych na­zy­wa­nej Świę­tym Gra­alem badań nad ba­te­ria­mi.

Użytkownicy mobilnego sprzętu elektronicznego często narzekają na zbyt krótkie działanie baterii - łatwo przeoczyć jak wielki postęp dokonał się w ostatnich dekadach, gdy kolejny raz pojawia się ostrzeżenie o niskim stanie naładowania, a w pobliżu brakuje gniazda.

Niemniej badania nad coraz doskonalszymi akumulatorami są bez wątpienia jedną z najważniejszych dziedzin, wyznaczających kierunek rozwoju nowych technologii - w końcu bez energii, żadne z urządzeń nie będzie działać i naiwnością byłoby sądzić, że w dobie mobilnej eletroniki i u progu rewolucji w motoryzacji, wielcy producenci nie zdają sobie z tego sprawy. Zdają, tak jak i placówki naukowe na całym świecie, nie szczędząc środków w tym, co tu ukrywać, wyścigu po cenne patenty.

"Jeśli uda nam się w praktyce zwiększyć pojemność baterii, powiedzmy czterokrotnie w stosunku do obecnej technologii, byłoby to ekscytujące. Umożliwi to dwu- lub trzykrotne wydłużenie żywotności baterii, lub budowę samochodu elektrycznego o zasięgu 500 km w cenie 25 tys. dolarów" - mówi Steven Chu, członek zespołu badawczego, profesor Uniwersytetu Stanforda, były sekretarz ds. Energetyki USA i laureat nagrody Nobla.

Na czym polega osiągnięcie stanfordczyków?

Znane nam doskonale z codziennego życia baterie litowo-jonowe składają się, podobnie jak większość baterii, z trzech podstawowych elementów: elektrolitu, anody i katody. Podczas ładowania, dodatnie jony litu akumulowane są w ujemnie naładowanej anodzie - tworzonej dzisiaj najczęściej z krzemu lub węgla.

Inżynierowie od lat zdają sobie sprawę z tego, że zbudowana z litu anoda pozwoliłaby na zwielokrotnienie możliwości baterii - to dzięki nieporównywalnej z innymi materiałami zdolności gromadzenia ładunków. Problem w tym, że taka anoda podczas gromadzenia ładunków rozszerza się nierównomiernie, powodując w materiale szczeliny, przez które następnie uciekają cenne jony litu, tworząc dendryty, które z kolei powodują spięcia i szybko kończą żywot baterii. Drugim problemem jest wysoka reaktywność litowej anody z elektrolitem (szybkie jego zużycie), a trzecim ciepło wytworzone podczas ich kontaktu. Ostatni problem dał o sobie znać w ostatnich miesiącach, gdy najnowsze baterie w samochodach Tesla oraz Dreamlinerach ulegały zapłonowi.

"Idealna powłoka ochronna dla anody z litu musi być chemicznie stabilna, by uniemożliwić reakcje z elektrolitem oraz mechanicznie wytrzymała, by wytrzymać rozszerzanie litu podczas ładowania." - tłumaczy jeden z członków zespołu, Yi Cui.

Rozwiązanie przedstawione przez zespół naukowców Uniwersytetu Stanforda to powłoka, którą twórcy nazwali nanosferami. Węglowa nanosfera przypomina plaster miodu i tworzy elastyczny, uniwersalny i niereaktywny filtr o grubości 20 nanometrów.

Co dalej z bateriami litowymi?

Zespołowi Stanforda udało się osiągnąć 99 procent wydajności kulombowskiej dla anody litowej przy 150 cyklach, co oznacza olbrzymi postęp w badaniach. Do 99,9 procent wydajności, kiedy baterie mogłyby zostać wprowadzone na rynek, jeszcze trochę brakuje, ale badacze są dobrej myśli.

"Wierzymy, że trochę pracy inżynierskiej i zastosowanie nowych eletrolitów pozwoli zrealizować praktyczną i stabilną litową anodę, która zasili akumulatory nowej generacji."