Naukowcy z Harvardu stworzyli baterię ze stałym elektrolitem, która ładuje się w ciągu dziesięciu minut i działa przez 30 lat, ale ta rozchwytywana technologia wciąż stanowi rozwiązanie na dłuższą metę, mające na celu transformację energetyczną.
Ludzie powoli, ale konsekwentnie przyjmują pojazdy elektryczne (EV), ale tempo tej transformacji musi jeszcze przyspieszyć, aby świat osiągnął swój cel zerowej emisji netto w 2050 r. Pomimo wykładniczego udoskonalenia EV wielu kierowców nadal niechętnie rezygnuje z wygody swoich samochodów napędzanych benzyną. Oprócz kosztów, obawy dotyczące braku stacji ładowania i żywotności baterii zostały wymienione jako główne bariery dla amerykańskich konsumentów kupujących EV w badaniu Ipsos Mori w zeszłym roku. W przypadku producentów samochodów w dużej mierze sprowadza się to do ciągłych ograniczeń zasięgu i żywotności obecnych akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion) pod maskami EV.
Jednak zespół naukowców z Uniwersytetu Harvarda uważa, że poczynili ważny krok w kierunku rozwiązania tych dylematów. Naukowcy ze School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) opracowali nowy "stan stały" akumulator, który można naładować w czasie potrzebnym do napełnienia zbiornika benzyny i który wytrzymuje od 3 do 6 razy więcej cykli ładowania niż typowy akumulator pojazdu elektrycznego.
Baterie półprzewodnikowe od dawna uważane są za święty Graal powszechnego przejścia na transport elektryczny, a wyścig o ich komercjalizację przyspieszył w ostatnich latach. Takie firmy jak Toyota i Volkswagen opracowują własne wersje, które mają nadzieję wprowadzić do pojazdów do końca dekady. Czy dzięki wsparciu tej najnowszej innowacji z Harvardu baterie półprzewodnikowe są w końcu gotowe, aby sprostać oczekiwaniom?
Zalety elektrolitów stałych w porównaniu z ciekłymi
Obecnie królują baterie litowo-jonowe; są używane we wszystkim, od telefonów komórkowych i laptopów po pojazdy elektryczne i systemy magazynowania energii. Naukowcy i producenci obniżyli cenę baterii litowo-jonowych o 90% w ciągu ostatniej dekady i wierzą, że mogą je jeszcze bardziej obniżyć. Wierzą również, że mogą wyprodukować jeszcze lepszą baterię litową.
Te baterie wykorzystują ciekły elektrolit do przemieszczania jonów między katodą i anodą podczas rozładowywania i ładowania. Jednak ciecz jest łatwopalna i uniemożliwia dodanie materiałów, które wydłużają żywotność baterii. Naukowcy uważają, że jednym z rozwiązań byłoby użycie elektrolitów stałych zamiast ciekłych.
Te baterie ze stałym elektrolitem obiecują szeroki wachlarz zalet w porównaniu z ich odpowiednikami na bazie cieczy. Przede wszystkim oferują większą gęstość energii; co oznacza, że mogą przechowywać więcej energii na jednostkę objętości lub wagi, co prowadzi do dłuższej żywotności baterii lub mniejszych, lżejszych pakietów baterii. Obiecują również dłuższą żywotność cyklu; wytrzymują więcej cykli ładowania i rozładowania bez degradacji, zwiększając tym samym żywotność baterii. Zastosowanie stałego elektrolitu umożliwia również znacznie szybsze ładowanie bez ryzyka uszkodzenia baterii dzięki bardziej wydajnemu transportowi jonów.
Akumulatory ze stałym elektrolitem mogą działać w szerszym zakresie temperatur niż akumulatory ciekłe, co pozwala na lepsze wykorzystanie w ekstremalnych warunkach pogodowych. Są one ogólnie uważane za bezpieczniejsze, ponieważ stały elektrolit zmniejsza ryzyko zwarć i przegrzania, które mogą prowadzić do pożarów lub wybuchów w akumulatorach ciekłych. Wreszcie stały elektrolit może być wykonany z szerszej gamy tańszych i bardziej przyjaznych dla środowiska materiałów.
Ogólnie rzecz biorąc, baterie półprzewodnikowe mają potencjał zrewolucjonizowania branży baterii, oferując lepszą wydajność, bezpieczeństwo i trwałość w porównaniu z tradycyjnymi bateriami litowo-jonowymi. „Ze względu na wysoką gęstość energii baterie półprzewodnikowe będą najbardziej odpowiednie dla pojazdów elektrycznych, a nie [stacjonarnych] systemów magazynowania energii i mogą naprawdę odegrać kluczową rolę w elektryfikacji ciężkiego transportu” — mówi Teo Lombard, modelarz energetyczny dla transportu w Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA).
„Krok naprzód” w projektowaniu baterii półprzewodnikowych
Naukowcy z SEAS opracowali baterię wielkości znaczka pocztowego, wykorzystując konstrukcję „ogniwa woreczka”, a nie typową odmianę „ogniwa pastylkowego”. Bateria zachowała 80% pojemności po 6,000 cykli ładowania i dobrze działała w niskich temperaturach. Przewyższyła inne baterie ze stałym elektrolitem, ponieważ naukowcy znaleźli sposób na jej wykonanie z anodą litowo-metalową, która ma dziesięciokrotnie większą pojemność niż typowa anoda grafitowa.
Nowa wielowarstwowa, wielomateriałowa konstrukcja była w stanie pokonać powszechny problem „dendrytów” – struktur przypominających korzenie, które wyrastają z powierzchni anody do elektrolitu. Mogą one przebić barierę oddzielającą przeciwległą katodę, powodując zwarcie baterii, a czasami jej zapalenie.
Dłuższa żywotność akumulatora – wynosząca około 30 lat – mogłaby znacznie obniżyć koszt pojazdów elektrycznych, a możliwość naładowania akumulatora w ciągu kilku minut zapewnia mu wyjątkową gęstość mocy, która mogłaby znaleźć zastosowanie w innych zastosowaniach.
„Byliśmy w stanie naładować akumulator w ciągu 5–10 minut przez 6,000 cykli; ładowanie akumulatorów EV zajmuje zwykle kilka godzin, a mają one od 1,000 do 2,000 cykli” — mówi Xin Li, adiunkt nauk materiałowych w SEAS i główny badacz projektu. „Nasze badania pokazują również, że można użyć innych materiałów jako anody, takich jak srebro, magnez lub krzem. To zdecydowanie krok naprzód w kierunku skalowania masowej produkcji akumulatorów ze stałym elektrolitem”.
„Z laboratorium do realnego świata”
Jednak nie wszyscy są przekonani. „Obecnym wyzwaniem baterii ze stałym elektrolitem jest wdrożenie i skalowanie, a nie uzyskanie czegoś jeszcze lepszego na poziomie ogniw” — mówi Lombard.
Z perspektywy inżynierii wyzwaniem, którego branża jeszcze nie pokonała, jest wyprodukowanie akumulatora półprzewodnikowego, który jest w stanie wytrzymać ekstremalnie wysokie ciśnienie, a jednocześnie jest w stanie „oddychać” – rozszerzać się i kurczyć. „Rozwiązanie tego problemu mogłoby zniweczyć zyski gęstości energii akumulatorów półprzewodnikowych, więc jest to pytanie, na które branża musi odpowiedzieć w nadchodzących latach poprzez proces skalowania” – mówi Lombard.
Z perspektywy bezpieczeństwa, kolejnym problemem, który producenci półprzewodników muszą pokonać, jest to, że nawet jeśli akumulator półprzewodnikowy nie zapali się, gdy dojdzie do zwarcia, inne materiały w silniku mogą się zapalić. „Ponownie, jest to wyzwanie inżynieryjne, które należy przetestować i zweryfikować na poziomie przemysłowym” — mówi Lombard.
Wreszcie, istnieje poważna przeszkoda w postaci zbudowania łańcucha dostaw dla baterii półprzewodnikowych. Według Lombarda łańcuchy dostaw baterii wymagają wysokiej jakości materiałów w bardzo dużych ilościach, ponieważ bateria nie działa nawet z minimalną ilością zanieczyszczeń. „To zajmuje dużo czasu”, mówi. „To również dlatego, że szerszy obszar baterii rośnie wykładniczo, więc półprzewodniki nie wchodzą na stały rynek, ale raczej taki, na którym każda technologia – w tym tradycyjna bateria litowo-jonowa – rozwija się szaleńczo szybko i trzeba zyskać na nim trochę miejsca”.
Według Lombarda sukces baterii ze stałym elektrolitem nie będzie wynikiem nowych przełomów naukowych – „choć to badanie jest ważne”, jak zastrzega – ale raczej tego, w jaki sposób przemysł rozwiąże pozostałe wyzwania inżynieryjne i rozwinie powiązany z tym łańcuch dostaw.
„Akumulatory ze stałym elektrolitem mają ogromny potencjał, ale to, w jaki sposób branża rozwiąże te [inżynieryjne] wyzwania, zadecyduje, czy zdominują rynek akumulatorów pojazdów elektrycznych, czy też pozostaną niszowym zastosowaniem w samochodach osobowych i ciężarowych o bardzo dużym zasięgu” – mówi.
Według ostatnich badań Focus, platformy analizy AI, która przewiduje przełomy technologiczne na podstawie globalnych danych patentowych, technologia baterii półprzewodnikowych poprawia się w tempie 31% rok do roku. Choć imponujące, obecnie nie jest to tempo wystarczające, aby zrewolucjonizować obecnych graczy – baterie litowo-jonowe poprawiają się w podobnym tempie 30.5%.
IEA prognozuje, że baterie półprzewodnikowe odegrają ważną rolę w przejściu na zerową emisję netto, w szczególności w celu dekarbonizacji ciężkiego transportu poprzez zastosowania takie jak ciężarówki elektryczne. „Ale ważne jest, abyśmy nie przesadzali ani nie niedoceniali branży” — mówi Lombard. Jeśli baterie półprzewodnikowe faktycznie spełnią swój potencjał, nastąpi to w latach 2030. XXI wieku, przewiduje. „Teraz naprawdę muszą zostać przeniesione z laboratorium do świata rzeczywistego”.
Li uważa, że półprzewodniki staną się powszechne dopiero około 2030 r. „Do tego czasu wciąż jest wiele barier technicznych do pokonania” — mówi. „[Ostatnie] przełomy niekoniecznie przyspieszają datę 2030 r., ale ją umożliwiają”.
Źródło z Po prostu Auto
Zastrzeżenie: Informacje podane powyżej są dostarczane przez just-auto.com niezależnie od Chovm.com. Chovm.com nie składa żadnych oświadczeń ani gwarancji co do jakości i niezawodności sprzedawcy i produktów.
