Kiedy wreszcie dostaniemy wydajne baterie i magazyny energii. Walka o gestość mocy
Choć od czasów Edisona nastąpił znaczący postęp, to ich parametry nie przestały frustrować. Z opracowanej w latach 90. XX wieku techniki litowo-jonowej, jak przynajmniej sądzą eksperci, już wiele więcej nie da się wycisnąć. Wraz z rosnącą liczbą urządzeń i pojazdów zależnych od elektrycznego zasilania pojawia się zapotrzebowanie na akumulatory o jeszcze większej pojemności i krótszym czasie ładowania. Ważne role odgrywają również - cena i masa ogólna ogniwa.
Więcej krzemu lub metalu
Od dawna rozwija się różne nowe rodzaje akumulatorów, które miałyby zastąpić litowo-jonowe. W ostatnim okresie za najbardziej obiecujące, bezpieczniejsze, bardziej wydajne i pojemne, a dokładnej mówiąc - obiecujące większą gęstość mocy w przeliczeniu na jednostkę masy, uznaje się rozwiązania półprzewodnikowe, wykorzystujące stały elektrolit.
Pojawiły się już zaawansowane projekty łączące znaną dobrze technikę z nowym, np. baterie Gene’a Berdichevsky’ego z Sila Nanotechnologies (2), oparte na tradycyjnej technice litowo-jonowej ze stopniowym wprowadzaniem krzemu. Mają trafić do elektrycznych BMW i daimlerów w 2025 roku, zapewniając co najmniej 20-procentowy skok w gęstości energii. Sila Nanotechnologies planuje budowę fabryki akumulatorów o pojemności trzykrotnie większej niż Gigafactory Elona Muska w Nevadzie oraz wyprodukowanie pierwszej komercyjnej anody krzemowej.
Dużo bardziej znany koncern GM zapowiada, że w połowie dekady również będzie miał ulepszoną baterię do EV, o tych samych parametrach, które zapowiada Sila. Volkswagen, inny wielki gracz motoryzacyjny, wspiera technikę baterii litowo-metalowej firmy QuantumScape, która obiecuje komercyjną wersję w 2024 roku. Solid Power, inny startup rozwijający anody litowo-metalowe, planuje produkcję swoich akumulatorów na rok 2026. Wszyscy będą musieli zmierzyć się z Teslą, która twierdzi, że kompleksowa transformacja jej baterii będzie gotowa już do 2023 r. Nad tym rodzajem akumulatorów intensywnie pracują również Japończycy, startup 3Dom założony przez Kiyoshiego Kanamurę, profesora Metropolitalnego Uniwersytetu Tokio.
Ta seria zapowiedzi dotyczy dwóch wiodących obecnie kierunków poszukiwań badawczych - anod wykonanych w dużej mierze z krzemu i konstrukcji wykorzystujących czysty metaliczny lit. Naukowcy oczekują od nich zwiększenia gęstości energii w akumulatorze, a tym samym obniżenia jego ceny i zwiększenia zasięgu po jednym ładowaniu. W obecnej dominującej technice anody grafitowe przechowują niewielką ilość litu. Fizycznie rzecz biorąc, sześć atomów węgla magazynuje jeden atom litu, który jest nośnikiem energii w baterii - im więcej litu, tym więcej energii.
Atom krzemu może przechowywać średnio do 4,4 atomu litu. Wykorzystanie czystego litu metalicznego również może pozwolić na zmagazynowanie większej energii. Do tej pory oba te materiały nie były stosowane w akumulatorach, ponieważ krzem ulega silnemu rozszerzaniu, a metaliczny lit może spowodować zwarcie w akumulatorze i wywołać pożar. Jednak firmy Sila, QuantumScape i Solid Power twierdzą, że udało im się pokonać te problemy. Jak na razie, jedyne komercyjne baterie zawierające krzem, np. te produkowane przez Panasonic dla Tesli, zawierają około 5 proc. objętości anody.
Berdichevsky zapowiada, że anody Sila będą w urządzeniach konsumenckich miały nawet 50 proc. krzemu. QuantumScape informuje, iż jego litowo-metalowy akumulator osiąga 800 cykli w temperaturze pokojowej i może ładować się do pełna w czasie krótszym niż 15 minut. Solid Power już w grudniu anonsowała osiągnięcie gęstości energii 330 watogodzin na kilogram w swoich ogniwach (3), co przewyższa jakąkolwiek znaną komercyjną baterię litowo-jonową. Wyzwaniem, nie do końca przezwyciężonym nie tylko przez Solid, jest utrzymanie parametrów w różnych temperaturach, typowych dla warunków pracy od chłodnego po gorący.
Innowacje od chloru po kwanty
Są oczywiście inne ścieżki, po których w stronę lepszych baterii kroczą badacze. Media informowały ostatnio m.in., że udało się skonstruować nowe, ładowalne baterie alkaliczno-chlorowe. Są one sześciokrotnie bardziej pojemne niż typowe baterie w naszych telefonach i laptopach. Niestety mimo całkiem niezłych parametrów w magazynowaniu i uwalnianiu ładunku elektrycznego, w porównaniu z wieloma kolegami z tablicy Mendelejewa chlor lubi szybko wchodzić w reakcje i jest trochę za bardzo niestabilny. Dlatego myśli się o nim w kontekście nie akumulatorów, lecz baterii jednorazowych.
Badacze z Uniwersytetu Stanforda wykryli jednak niedawno, że w pewnych procesach zachowuje stabilność zadowalającą nawet w akumulatorach. Zaś Chińczycy z Narodowego Uniwersytetu Chung Cheng opracowali porowaty materiał węglowy, który zapewnia kontrolę nad konwersją chloru. Kiedy bateria jest ładowana, chlorek sodu przechodzi konwersję do chloru (Na/Cl2). Sód zostaje wytrącony, a chlor pozostaje uwięziony w porach elektrody węglowej. W momencie rozładowywania baterii chlor ma opcję połączenia tylko z cząsteczkami sodu, co też czyni. W ten sposób ponownie powstaje chlorek sodu, a bateria staje się możliwa do ponownego załadowania. Procesy te można powtarzać i są bardzo wydajne.
Naukowcom udało się skonstruować prototyp, który osiąga pojemność 1200 mAh/g elektrody dodatniej przy dwustu cyklach ładowania/rozładowania. Używane powszechnie akumulatory litowo-jonowe są w stanie pomieścić zaledwie 200 mAh/g elektrody dodatniej. Liczba cykli ładowań naszych baterii telefonicznych jest większa, ale prototyp można udoskonalać.
Japońska firma, Azul Energy, podeszła nieco inaczej niż inni do wyzwania zwiększania pojemności przy jednoczesnej miniaturyzacji akumulatorów. Startup kierowany przez Hiroshiego Yabu, profesora Uniwersytetu Tohoku, pracuje nad nowymi katalizatorami stosowanymi w akumulatorach. Badania koncentrują się na wykorzystaniu w tym celu powietrza, co ma pozwolić zwiększyć gęstość przechowywanej energii od 3 do nawet 10 razy.
Z kolei Connexx Systems z Seiki w pobliżu Kioto pracuje nad połączeniem akumulatora z wodorowym ogniwem paliwowym. Akumulator produkuje wodór z proszku żelazowego i wody, a następnie dostarcza go do ogniwa paliwowego. W prototypowych konstrukcjach udało się osiągnąć pięciokrotnie większą wydajność niż akumulatory litowo-jonowe, przy niskich kosztach produkcji. Urządzenie jest jednak ciężkie, co ogranicza jego zastosowanie do urządzeń stacjonarnych.
Skoro jesteśmy już w Japonii, to AC Biode z Kioto opracowała projekt akumulatora operującego na prądzie przemiennym, a nie stałym. W stosunku do klasycznych akumulatorów litowo-jonowych udało się wydłużyć czas między ładowaniami o 30 proc. Niestety, urządzenie potrzebuje specjalnej instalacji do ładowania, co ogranicza jego funkcjonalność.
Są pomysły na magazynowanie energii, wychodzące poza świat ogniw. Niektórzy badacze chcą np. właściwości superkondensatorów w celu opracowania taniego i przyjaznego dla środowiska rozwiązania. Naukowcy z australijskiego Uniwersystetu Technologicznego w Queensland we współpracy z indyjskim IIT Jammu i niemieckim TU Munich opracowali urządzenie do magazynowania energii oparte na superkondensatorze, które osiąga gęstość energii zbliżoną do gęstości akumulatorów niklowo-wodorkowych (NiMH). W przeciwieństwie do baterii Li-Ion, superkondensatory przechowują energię w sposób statyczny - ładują się i rozładowują znacznie szybciej bez powodowania degradacji struktury wewnętrznej. W efekcie mają bardzo wysoką gęstość mocy, choć znacznie niższą niż ich chemiczne odpowiedniki.
Opracowany prototyp ma kondensatorową elektrodę ujemną opartą na węgliku tytanu oraz elektrodę dodatnią wykonaną z grafenu. Zespół opisuje go jako hybrydowy kondensator o pojemności ładowania (gęstości mocy, W/kg) około dziesięciokrotnie większej niż w przypadku baterii litowych i porównywalnej z bateriami niklowo-wodorkowymi. Testowane urządzenie wykazało gęstość energii do 73 Wh/kg - około 28 proc. tego, co oferują dzisiejsze nowoczesne baterie, podczas gdy gęstość mocy wzrosła do 1600 W/kg - znacznie więcej niż 250-340 W/kg, które oferują współczesne baterie litowe. Zespół badawczy zauważył, że zachowały one 90 proc. swojej początkowej pojemności po 10 tysiącach pełnych cykli ładowania/rozładowania. W nowym rozwiązaniu tkwi jednak pewien haczyk. Aby naładować takie urządzenie szybciej niż tradycyjne baterie, potrzebna byłaby zaawansowana technologicznie infrastruktura, która obecnie jest niedostępna.
Uczeni w poszukiwaniach alternatyw w dziedzinie techniki ogniw i magazynowania energii zapuszczają się dalej, w świat kwantowy chociażby. Pomysł stworzenia nanometrowej wielkości baterii kwantowej wyszedł od naukowców z kanadyjskich uczelni, Uniwersytetu Alberty i w Toronto. Działanie baterii kwantowych opiera się na zupełnie innych zasadach niż zwykłych. Nanostruktury miałyby powodować, że elektrony absorbowałyby fotony, magazynując energię i uwalniając ją w procesach kwantowych. Kwantowe ogniwa musiałyby być całkowicie odizolowane od otoczenia, także od światła, by nie nastąpiła dekoherencja, czyli w tym przypadku rozładowanie. Jak na razie istnieją jedynie w teorii.
Bezpieczeństwo równie ważne jak wydajność
Przed uczonymi i ośrodkami badawczymi stoją także wyzwania inne niż zwiększanie pojemności, gęstości i szybkości ładowania ogniw. Jak na razie na rynku dominują akumulatory litowo-jonowe a ich bezpieczeństwo jest poważnym wyzwaniem tu i teraz.
Wiadomo już dobrze, że stwarzają w określonych okolicznościach zagrożenie wybuchem i pożarami.
Koreańskim naukowcom z Koreańskiego Insty-tutu Naukowo-Technologicznego (KIST) kierowanym przez Joonga Kee Lee udało się zahamować wzrost dendrytów, kryształów o wielu rozgałęzieniach, które powodują pożary akumulatorów EV, przez tworzenie ochronnych półprzewodnikowych warstw pasywacyjnych na powierzchni elektrod litowych.
Aby zapobiec tworzeniu się dendrytów, zespół badawczy poddał fulleren (C60) działaniu plazmy, co spowodowało utworzenie półprzewodzących pasywacyjnych warstw węglowych pomiędzy elektrodą Li a elektrolitem. Półprzewodzące warstwy węglowe pasywacyjne pozwalają na przejście jonów Li, blokując jednocześnie elektrony dzięki wytworzeniu tzw. bariery Schottky’ego.
Zapobieganie interakcji elektronów i jonów litu na powierzchni elektrody i wewnątrz powstrzymuje formowanie się kryształów i wzrost dendrytów. Nowo opracowane elektrody wykazały wyraźnie zwiększoną stabilność, przy czym wzrost dendrytów Li został przyhamowany na okres do 1200 cykli. Ponadto, stosując katodę z tlenku litowo-kobaltowego (LiCoO2) jako dodatek do opracowanej elektrody, po 500 cyklach utrzymano około 81 proc. początkowej pojemności baterii, co stanowi poprawę o około 60 proc. w stosunku do konwencjonalnych elektrod litowych.
Nową barierę ochronną znacznie zwiększającą żywotność i bezpieczeństwo akumulatorów litowych opracowali również japońscy uczeni z Instytutu Zaawansowanej Nauki i Technologii (JAIST). Dostępne na rynku akumulatory wykorzystują anody grafitowe, które wymagają również materiału wiążącego - w przeciwnym razie grafit po prostu rozpadłby się wewnątrz baterii. Obecnie jako materiału wiążącego używa się poli(fluorku winylidenu) (PVDF). Jednak jego wydajność nie jest najlepsza.
Po zaledwie pięciuset cyklach ładowania i rozładowania, pojemność ogniw z PVDF spada do 65 proc. pierwotnej wartości. Jak podał serwis EurekaAlert, zespół JAIST odkrył nowy materiał wiążący o nazwie kopolimer bis-iminoacenaftynochinon-parafenylen, który pozwala baterii utrzymać 95 pojemności do ponad 1700 cykli ładowania-rozładowania.
Moc zaklęta w betonie
W sukurs poszukiwaczom wydajnych i tanich rozwiązań magazynowania energii idzie ostatnio coraz intensywniej technika materiałowa.
Na przykład naukowcy z uniwersytetu w Lanca-ster odkryli materiał krystaliczny, który może nie tylko przechwytywać energię słoneczną przez kilka miesięcy w temperaturze pokojowej, po czym uwalniać ją na żądanie jako ciepło. Tego rodzaju technologia może być szczególnie przydatna w miejscach, gdzie w miesiącach letnich jest dużo światła słonecznego, ale za mało w miesiącach zimowych.
Sztuczki tej dokonuje materiał oparty na "ramach metaloorganicznych" (MOF), których porowate właściwości pozwalają na tworzenie materiałów kompozytowych przez umieszczanie w ich strukturach innych małych cząsteczek. W tym przypadku umieszczono tam molekuły azobenzenu (silne pochłaniacze światła), które mogą zmieniać swój kształt pod wpływem światła lub ciepła. Te specjalne molekuły działają jak fotowyłączniki - rodzaj "maszyny molekularnej", która zmienia kształt pod wpływem bodźca zewnętrznego, takiego jak światło lub ciepło.
Według badań, proces ten magazynuje energię podobnie do metody, za pomocą której energia potencjalna jest przechowywana w sprężynie. Próby wykazały, że materiał był w stanie przechowywać energię przez ponad cztery miesiące, czyli w okresie zmiany pór roku. Wciąż jednak gęstość zmagazynowanej energii jest skromna, co musi zostać poprawione, jeśli mamy myśleć o stosowaniu tej techniki w praktyce, np. jako przyjazne dla środowiska uzupełnienie ogrzewania domów i biur lub do odladzania szyb. Opis badań ukazał się w czasopiśmie "Journal of Chemistry of Materials".
Od klasycznego myślenia w projektowaniu rozwiązań magazynujących energię odchodzą systemy "baterie strukturalne", wykorzystujące całość konstrukcji, np. domu jako magazyn energii.
W marcu 2021 pojawiła się informacja, iż naukowcy ze szwedzkich uczelni Chalmers University of Technology i KTH Royal Institute of Technology poprawili wydajność takiego układu dziesięciokrotnie w porównaniu z tym, co znano dotychczas.
Główny przypadek zastosowania tego rodzaju systemu magazynowania energii to samochody elektryczne, w których akumulatory zwykle zajmują mnóstwo przestrzeni. Samochody te muszą być projektowane specjalnie w taki sposób, aby udźwignąć masę akumulatorów. Co, gdyby sama rama głównej konstrukcji samochodu mieściła energię? Aby stworzyć swoją baterię strukturalną, badacze umieścili szklaną "tkaninę" pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną, a następnie wypełnili ją elektrolitem polimerowym, utwardzając następnie w piecu. Rezultatem jest wytrzymałe, płaskie ogniwo baterii, które dobrze przewodzi prąd i wytrzymuje próby rozciągania we wszystkich kierunkach.
Uniwersytet w Chalmers pisze w komunikacie prasowym: "Akumulator ma gęstość energii 24 Wh/kg, czyli około 20 proc. pojemności akumulatorów litowo-jonowych dostępnych obecnie na rynku. Ponieważ jednak masa pojazdu może zostać znacznie zmniejszona przy zastosowaniu baterii strukturalnej, potrzeba mniej energii do napędzania pojazdu. Mniejsza gęstość energii przekłada się również na większe bezpieczeństwo ogniwa. A dzięki sztywności 25 GPa, bateria strukturalna może konkurować z wieloma innymi powszechnie stosowanymi materiałami konstrukcyjnymi". Naukowcy chcą zastąpić folię aluminiową w elektrodzie materiałem z włókna węglowego i rozrzedzić separator. Może to zaowocować powstaniem baterii, która wytwarza 75 Wh/kg energii i 75 GPa sztywności.
Jednym z najbardziej obiecujących potencjalnych zastosowań tego rodzaju ogniw są samoloty, w których zastosowanie elektrycznego napędu jest kłopotliwe ze względu na masę akumulatorów. Zamiast "martwej" masy baterii mamy elementy struktury spełniające naraz dwie funkcje. Wizjonerzy szkicują perspektywy całych wielkich betonowych budynków, które mogą przechowywać energię jak gigantyczne baterie.
Koncepcje baterii wielokrotnego ładowania, wykonanych z cementu, są już w świecie nauki znane. Mogłyby, według jednej z koncepcji, polegać na dodawaniu przewodzących włókien węglowych do mieszanki betonowej, co zwiększa również wytrzymałość mechaniczną. Następnie w mieszance umieszczana byłaby siatka z włókna węglowego pokrytego metalem - żelazem dla anody i niklem dla katody. Po wielu eksperymentach Luping Tang i Emma Zhang z Uniwersytetu Chalmers stworzyli prototyp (4) o średniej gęstości energii wynoszącej 7 watogodzin na metr kwadratowy (0,8 watogodziny na litr objętości). Gęstość energii jest nadal niska w porównaniu z bateriami komercyjnymi, ale budynki mają dużą skalę, więc per saldo rachunek wygląda nieźle.
Zdaniem badaczy baterie takie mogłyby z powodzeniem zasilać diody LED w oświetleniu, zasilać infrastrukturę telekomunikacyjną, nadajniki i odbiorniki, zwłaszcza w odległych obszarach lub zapewniać ochronę katodową przed korozją w konstrukcjach z betonu. "Mógłby to być również układ sprzężony na przykład z panelami ogniw słonecznych, aby zapewnić energię elektryczną i stać się źródłem energii dla systemów monitorowania autostrad lub mostów, gdzie czujniki obsługiwane przez betonową baterię mogłyby wykrywać pęknięcia lub korozję", sugeruje Emma Zhang w publikacji. "Ponieważ betonowa infrastruktura jest zazwyczaj budowana z myślą o pięćdziesięciu, a nawet stu latach eksploatacji, baterie musiałyby być tak dopracowane, aby dorównywały temu okresowi lub były łatwiejsze do wymiany i recyklingu po zakończeniu okresu użytkowania".
Elementy konstrukcji budowlanych interesują także innych badaczy. Chemicy z Washington University w St. Louis pokazali, jak mogą przekształcić zwykłe czerwone cegły w rodzaj magazynującego energię superkondensatora. Ich "inteligentne cegły" są pokryte przewodzącym polimerem o nazwie PEDOT - składającym się z nanowłókien, które zostają wchłonięte w porowatą strukturę cegieł, ostatecznie zamieniając całą cegłę w "gąbkę jonową", która przewodzi i przechowuje energię. Opis ich badań został opublikowany w czasopiśmie "Nature Communications".
W ramach testów naukowcy naładowali kawałek cegły do napięcia 3 V w ciągu 10 sekund, a następnie włączyli zieloną diodę LED, zasilaną ich cegłą (5), na 10 minut. Sądzą, że ściany wykonane z tych magazynujących energię cegieł mogłyby przechowywać bardzo duże ilości energii. Ponadto, działając jako superkondensator, cegły te mogłyby być ładowane setki tysięcy razy na godzinę.
Budowlane konstrukcje magazynować mogą i już magazynują energię także w nieco inny, choć nieco mniej subtelny technicznie sposób. Kilka godzin drogi na południe od Zurychu, w szwajcarskim kantonie Ticino, znajduje się akumulator zbudowany z betonowych bloków przez Energy Vault, szwajcarską firmę zajmującą się zieloną energią.
Jak wiadomo, słońce nie zawsze świeci, a wiatr nie zawsze wieje. Ani jedno, ani drugie nie dostarcza energii elektrycznej dokładnie wtedy, kiedy zużywamy jej najwięcej. Trzeba ją magazynować. Ponieważ wielkie ogniwa paliwowe to rozwiązanie nietanie, myśli się o innych sposobach.
Akumulator szwajcarskiej firmy Energy Vault (6) robi to poprzez układanie betonowych bloków w określony sposób, przechowujący energię potencjalną. Im wyżej blok jest podnoszony, tym więcej energii potencjalnej jest w nim zgromadzone. Później, bateria może zostać rozładowana przez uruchomienie silników dźwigu w odwrotnym kierunku, zamieniając energię potencjalną betonowego bloku z powrotem na energię elektryczną.
Co zaskakujące, całość systemu, będącego jedną z rozlicznym odmian układu szczytowo-pompowego, jest stosunkowo wydajna. Sprawność systemu w obie strony, od układania do zdejmowania, wynosi około 85 proc., mniej więcej tyle samo, ile w przypadku (nowych) baterii litowo-jonowych, których sprawność sięga 90 proc.
Przegląd różnych technik magazynowania energii, nad którymi obecnie na świecie się pracuje, prowadzi do wniosku, że raczej nie będzie to jedno uniwersalne rozwiązanie do każdego zastosowania. Może się okazać, że nawet jeśli chodzi o akumulatory, to korzystać będziemy z różnych rodzajów do różnych urządzeń i sytuacji.
Mirosław Usidus
