Jak skonstruować lepszy akumulator?
Wszędzie wokół rośnie liczba urządzeń elektrycznych – znajdziemy je w sprzętach gospodarstwa domowego, urządzeniach inteligentnych, pojazdach, a nawet w samolotach. Urządzenia te są zasilane za pomocą akumulatorów, w szczególności zaś akumulatorów litowo-jonowych (Li-Ion). Okazuje się jednak, że choć dzięki akumulatorom Li-Ion możliwe stało się produkowanie przenośnych urządzeń elektronicznych i korzystanie ze zrównoważonych środków transportu, do tego zwiększyła się pojemność urządzeń do magazynowania energii, a samo korzystanie z energii odnawialnej stało się bardziej wszechstronne, to akumulatory te mają swoje ograniczenia. Przykładowo do konstruowania wielu z nich potrzeba drogich i rzadkich surowców, takich jak kobalt czy nikiel, przez co ceny tych urządzeń nie są stabilne. Wydobycie wspomnianych surowców odbywa się często ze szkodą dla środowiska i osób pracujących w kopalniach. Jakby tego było mało, technologia akumulatorów Li-Ion zbliża się do kresu swoich możliwości w kwestii gęstości energii, co może gwałtownie ograniczyć nasze marzenia o „elektryfikacji wszystkiego”. Po uwzględnieniu tych problemów jasne staje się, że potrzebne jest bardziej zrównoważone rozwiązanie o większej mocy. Z pomocą ma przyjść zespół finansowanego ze środków UE projektu CARBAT, który zajmuje się opracowaniem technologii akumulatorów wapniowo-metalowych. „Akumulatory, w których wykorzystuje się wapń (Ca), dają nadzieję na osiągnięcie znacznego postępu w zakresie gęstości energii i bezpieczeństwa użytkowania w porównaniu do parametrów najnowocześniejszych akumulatorów Li-Ion”, mówi María Rosa Palacín, profesor prowadząca badania na Instytucie Materiałoznawstwa w Barcelonie (ICMAB-CSIC), która jest także koordynatorką projektu. „Akumulatory wapniowo-metalowe są tak interesującym konceptem, ponieważ wapń jest jednym z najczęściej występujących w skorupie ziemskiej pierwiastków, a w postaci anody wapniowo-metalowej można go stosować z różnymi konwencjonalnymi elektrolitami”, dodaje Patrik Johansson, profesor na Uniwersytecie Technologicznym Chalmersa, który również uczestniczył w projekcie. Pozostali partnerzy projektu to Uniwersytet Complutense w Madrycie (strona w języku hiszpańskim) oraz Instytut Technologii Krzemowych im. Fraunhofera.
Potwierdzenie słuszności koncepcji już niebawem
Działania prowadzone w ramach projektu CARBAT miały doprowadzić do potwierdzenia słuszności koncepcji zasadzającej się na wykorzystaniu w konstrukcji akumulatora z anodą wapniowo-metalową w celu zwiększenia gęstości energetycznej akumulatora w porównaniu z parametrami, jakimi charakteryzują się dzisiejsze akumulatory Li-Ion. W tym celu przeprowadzono badania łączące wiedzę z zakresu projektowania komputerowego, materiałoznawstwa, elektrochemii oraz inżynierii akumulatorów. Punktem wyjściowym badań była wstępna selekcja przeprowadzona metodą symulacji obliczeniowych. Pozwoliła ona wskazać najodpowiedniejsze materiały, które następnie starannie zbadano pod kątem ich wydajności elektrochemicznej. „Przeprowadzone badania obliczeniowe pozwoliły nam wskazać kilka materiałów nieorganicznych, które nadawałyby się na elektrodę dodatnią”, wyjaśnia Palacín. „Niektóre z nich wykazały w badaniach wstępnych interesujące właściwości. Korzystając z tego samego podejścia, znaleźliśmy też kilka nowych i obiecujących koncepcji dotyczących elektrolitów”. Następnie opracowano małe akumulatory do celów badawczych, poddano je testom, walidacji i ocenie parametrów, porównując wyniki do osiąganych przez najnowsze akumulatory Li-Ion tak pod kątem wydajności, jak i stopnia zrównoważenia.
Ważne podstawy
Działania te umożliwiły pracującym nad projektem uczonym lepsze zrozumienie podstaw mechanizmów, z którymi mieli do czynienia, oraz możliwości w zakresie osiągnięcia lepszej wydajności akumulatorów przy zastosowaniu nowych materiałów. „Opracowanie metody wykorzystywania wapnia jako materiału anody to zasadniczy krok dla dalszych badań nad budową akumulatorów, które charakteryzowałyby się bardzo wysoką gęstością energetyczną”, zauważa Johansson. „Udało się nam stworzyć podstawy, które, jak mamy nadzieję, będą dobrym punktem wyjścia do rozwinięcia koncepcji akumulatora wapniowo-metalowego i skonstruowania jego ostatecznej wersji. Dążymy do osiągnięcia lepszych wyników w zakresie wydajności i zrównoważenia”, dodaje Palacín. „Możliwe, że właśnie torujemy nam drogę do zastosowania energii odnawialnej na wielką skalę”. Badacze będą kontynuować pracę nad elektrodami i elektrolitami, jednocześnie podnosząc poziom gotowości technologicznej swojej koncepcji.
Słowa kluczowe
CARBAT, akumulator, akumulatory, akumulatory wapniowo-metalowe, zrównoważony, akumulatory litowo-jonowe, Li-Ion, ponowne ładowanie, urządzenia elektroniczne, energia odnawialna, kobalt, nikiel
