Rynek bateryjny błyskawicznie rośnie, ale i ewoluuje. Kryzys energetyczny wymusił przyspieszenie w tym względzie, a ceny metali i ich spolaryzowany rynek (Chiny kontrolują niemal 90% wydobycia -przyp. red.), wymagają od konstruktorów poszukiwania nowych technologii.
Przed kilkoma dniami w Chinach zaprezentowano pierwsze na świecie auto z akumulatorem sodowo – jonowych. Teraz w USA pochwalono się technologią litowo – powietrzną. Schemat, który zaprezentowano pokazuje ogniwo akumulatora litowo-powietrznego składające się z anody litowo-metalowej, katody na bazie powietrza i stałego elektrolitu ceramiczno-polimerowego (CPE). Podczas rozładowywania i ładowania jony litu (Li+) przechodzą z anody na katodę, a następnie z powrotem.
Innowacyjna konstrukcja jest dziełem naukowców z Illinois Institute of Technology (IIT) i Argonne National Laboratory Departamentu Energii USA (DOE). Zdaniem twórców „nowa konstrukcja akumulatora może pewnego dnia zasilać samoloty krajowe i ciężarówki dalekiego zasięgu”. Głównym, nowym składnikiem akumulatora litowo-powietrznego jest stały elektrolit zamiast zwykłej odmiany cieczy. Istotne jest to, że akumulatory ze stałymi elektrolitami są bezpieczniejsze niż te z ciekłymi elektrolitami stosowanymi w akumulatorach litowo-jonowych i innych typach, które są narażone np. na przegrzanie.
Co ważniejsze, chemia akumulatora ze stałym elektrolitem może potencjalnie zwiększyć gęstość energii nawet czterokrotnie w stosunku do akumulatorów litowo-jonowych, co przekłada się na większy zasięg jazdy.
– Przez ponad dekadę pracowaliśmy, aby opracować baterię litową, która wykorzystuje tlen w powietrzu. Bateria litowo-powietrzna ma najwyższą przewidywaną gęstość energii spośród wszystkich technologii akumulatorów rozważanych dla następnej generacji akumulatorów – powiedział Larry Curtiss z Argonne Distinguished Fellow.
Warto przypomnieć, że w poprzednich konstrukcjach litowo-powietrznych lit w anodzie litowo-metalowej przemieszcza się przez ciekły elektrolit, aby połączyć się z tlenem podczas rozładowania, dając nadtlenek litu (Li2O2) lub ponadtlenkowy (LiO)2) na katodzie. Nadtlenek litu lub ponadtlenek jest następnie rozkładany z powrotem na składniki litowe i tlenowe podczas ładowania. Ta sekwencja chemiczna przechowuje i uwalnia tzw. energię na żądanie.
Schemat powyżej przedstawia ogniwo baterii litowo-powietrznej składające się z anody litowo-metalowej, katody powietrznej i stałego elektrolitu ceramiczno-polimerowego (CPE). Podczas rozładowywania i ładowania, jony litu (Li+) przechodzą z anody do katody, a następnie z powrotem. (grafika: Argonne National Laboratory.)
Nowy stały elektrolit zespołu składa się z ceramicznego materiału polimerowego wykonanego ze stosunkowo niedrogich pierwiastków w postaci nanocząstek. To nowe ciało stałe umożliwia reakcje chemiczne, które wytwarzają tlenek litu (Li2O).
Reakcja chemiczna ponadtlenku litu lub nadtlenku obejmuje tylko jeden lub dwa elektrony przechowywane na cząsteczkę tlenu, podczas gdy reakcja tlenku litu obejmuje cztery elektrony. Więcej zmagazynowanych elektronów oznacza większą gęstość energii.
Konstrukcja litowo-powietrzna jest pierwszą, która osiągnęła reakcję czterech elektronów w temperaturze pokojowej. Działa również z tlenem dostarczanym powietrzem z otaczającego środowiska. Możliwość pracy z powietrzem pozwala uniknąć konieczności działania zbiorników tlenu, co stanowi problem we wcześniejszych konstrukcjach.
Poprzednie ogniwa testowe litowo-powietrzne miały zasadniczą wadę (podobnie ja te sodowo – litowe, zaprezentowane niedawno w Chinach) bardzo krótki cyklu życia. Zespół badawczy wykazał jednak, że to niedociągnięcie nie dotyczy ich nowej konstrukcji baterii, budując i obsługując ogniwo testowe przez 1000 cykli, wykazując jego stabilność w przypadku wielokrotnego ładowania i rozładowywania.
– Wraz z dalszym rozwojem spodziewamy się, że nasz nowy projekt akumulatora litowo-powietrznego osiągnie również rekordową gęstość energii 1200 watogodzin na kilogram. To prawie cztery razy lepiej niż akumulatory litowo-jonowe – powiedział Curtiss.
