Zapowiedziany przez wiele krajów plan zakazu sprzedaży aut spalinowych motywuje naukowców do opracowania coraz szybciej ładujących się baterii. Teraz to już kwestia kilku minut i to wciąż przy użyciu tych samych akumulatorów litowo-jonowych. To co się zmieni, to elektroda gromadząca jony litu.
Większość pojazdów elektrycznych korzysta obecnie z akumulatorów litowo-jonowych, w których jedna z dwóch elektrod, anoda, jest wykonana z grafitu. Zdominował rynek, ponieważ jest tani, występuje w dużych ilościach i może przechowywać wystarczającą ilość jonów litu, aby zapewnić samochodom zasięg około 500 kilometrów. Słabością grafitu jest jednak tempo ładowania baterii. Standardowe ładowarki o napięciu 240 woltów mogą wymagać ponad 10 godzin, aby w pełni naładować pojazd elektryczny o typowym zasięgu 500 kilometrów. Są rzecz jasna mocniejsze źródła zasilania, jak Tesla Supercharger o napięciu 480 woltów, które pojazd elektryczny do 80 proc. pojemności mogą naładować w ciągu 45 minut. Ich słabością jest jednak to, że mogą powodować gromadzenie się jonów litu w graficie w metalowe igły zwane dendrytami, a w konsekwencji spowodować zwarcie akumulatora i spowodować jego zapalenie. Poza tym ładowanie wysokim napięciem powoduje nieodwracalne zmiany strukturalne grafitu, które skracają żywotność baterii.
Stąd naukowcy pracują nad zmianą materiału anody. Już dawno wykazano, że anody wykonane z krzemu mogą zwiększyć ilość ładunku, jaki przechowuje bateria i umożliwić szybsze ładowanie. Każdy atom krzemu jest w stanie związać cztery jony litu, w porównaniu z tylko jednym na każde sześć atomów węgla w graficie. Wprowadzenie tak wielu atomów litu do matrycy krzemowej powoduje jednak, że materiał anody powiększy się nawet czterokrotnie. W tej sytuacji wielokrotne ładowanie i rozładowywanie baterii zwykle powoduje sproszkowanie krzemu, zabijając baterię.
Yi Cui, naukowiec zajmujący się materiałami na Uniwersytecie Stanforda, wykazał jednak że nanoskalowe modyfikacje struktury krzemu, takie jak wykuwanie go w szereg nanodrutów, mogą pozwolić anodzie pęcznieć i kurczyć się bez pękania, wydłużając w ten sposób żywotność baterii. Amprius, firma Cui, która powstała w celu komercjalizacji technologii, poinformowała w lutym, że opracowała akumulator litowo-jonowy z anodą krzemową o pojemności 450 watogodzin na kilogram, prawie dwukrotnie większej niż ogniwa 280 Wh/kg stosowane w obecnych EV Tesli. Nowe ogniwa mogą naładować się do 80 proc. pojemności w zaledwie 6 minut.
Trwają również prace nad innymi materiałami anodowymi. Startup Battery Streak wspierany wiedzą naukowców z UCLA robi je z lekkiego, szarego metalicznego niobu, który zapewnia większą pojemność i szybsze ładowanie niż grafit. Przetworzyli tlenek niobu w formę przypominającą gąbkę, dzięki czemu zyskali dużą powierzchnię umożliwiającą przechowywanie dużej ilości litu, a szerokie otwory umożliwiają przepływ jonów litu, co skutkuje szybszym ładowaniem. I w przeciwieństwie do krzemu, struktura tlenku niobu nie zmienia się, gdy chwyta i uwalnia jony litu. Jony litu osadzają się blisko atomów niobu podczas ładowania i po prostu odpływają podczas rozładowywania, powodując mniejsze uszkodzenia akumulatora podczas powtarzających się cykli ładowania/rozładowania.
Battery Streak poinformował niedawno, że stworzył ogniwa, które mogą naładować się do 80 proc. pojemności w zaledwie 10 minut. Inną zaletą jest to, że podczas tego szybkiego ładowania ogniwa te nagrzewają się zaledwie o 8°C. Znacznie mniej niż grafitowe, których temperatura rośnie nawet o 50°C. „To powinno spowolnić degradację baterii i wydłużyć żywotność ogniw Battery Streak ponad 10-krotnie w porównaniu z obecnymi bateriami litowymi z anodą grafitową”, mówi Dan Alpern, wiceprezes ds. marketingu w Battery Streak. Ta zwiększona żywotność baterii powinna zrekompensować cenę niobu, która jest zwykle ponad 30 razy wyższa niż grafitu.
Czytaj więcej na: Science
/Fot: Avda//
Jeszcze nie dodano komentarza!