Baterie, które zmienią świat
06.11.2013 | aktual.: 29.12.2016 08:17
Rozwój technologii spowodował, że niesłychanie wzrosło zapotrzebowanie na baterie. Producenci smartfonów, laptopów, a nawet samochodów elektrycznych oczekują coraz bardziej wydajnych akumulatorów, które wydłużyłyby czas pracy zasilanych za ich pomocą urządzeń.
Rozwój technologii spowodował, że niesłychanie wzrosło zapotrzebowanie na baterie. Producenci smartfonów, laptopów, a nawet samochodów elektrycznych oczekują coraz bardziej wydajnych akumulatorów, które wydłużyłyby czas pracy zasilanych za ich pomocą urządzeń.
Większość współczesnych baterii stanowią akumulatory litowo-jonowe. Są one zwykle wykorzystywane w pojazdach elektrycznych i przenośnej elektronice, ponieważ mogą magazynować stosunkowo duże ilości energii w stosunkowo niewielkiej przestrzeni. Baterie te działają poprzez kontrolowanie przepływu jonów litu przez płynny elektrolit pomiędzy dwoma terminalami zwanymi anodą i katodą.
"Odciskane" baterie
Grupa badaczy Narodowego Instytutu Nauki i Technologii Ulsan, działająca pod kierownictwem profesora Lee Sang-Young, opracowała prototyp giętkiego akumulatora litowo-jonowego, który da się wytwarzać techniką odciskania wzoru (ang. imprinting). Zamiast ciekłego elektrolitu wykorzystywanego w popularnych bateriach, Koreańczycy użyli żelu polimerowego z cząsteczkami tlenku glinu. Substancja może zostać nałożona na elastyczne podłoże, zachowując przy tym wszystkie swoje właściwości.
Z rozwiązania opartego na polimerach korzysta również amerykańska firma Imprint Energy. Stworzone przez nią elastyczne akumulatory korzystają z cynkowej anody, polimerowego elektrolitu oraz katody z tlenku metalu. Specjalny polimer przeciwdziała "starzeniu się" akumulatorów cynkowych i wydłuża czas, w którym można je powtórnie ładować. Cynk jest przede wszystkim tańszy niż lit, a może zapewnić równie dobrą gęstość akumulatorów.
Projekt IBM
Projekt Battery 500 został stworzony przez koncern IBM już w 2009 r. W jego założeniach było skonstruowanie baterii zdolnej do zasilania samochodu elektrycznego na odległość 800 km (500 mil).
W ten sposób powstała bateria litowo-powietrzna o ultrawysokiej gęstości. W produkcie IBM tlen reaguje z litem tworząc nadtlenek litu i energię elektryczną. Gdy akumulator jest ładowany, proces jest odwrócony i wytwarza się tlen. Producent określa to mianem oddychającej baterii.
W przypadku nowych ogniw gęstość energii jest dużo wyższa od popularnych baterii litowo-jonowych i wynosi około 12 kWh/kg. To 15 razy więcej, niż w wypadku ogniw starego typu.
Wszechobecny grafen
Mówiąc o nowoczesnych bateriach nie sposób nie wspomnieć też o grafenie, który często uważany jest za materiał przyszłości. Kalifornijska firma CLBattery rozpoczęła prace nad komercjalizacją akumulatorów wykorzystujących tę strukturę.
Urządzenie, którego prototyp powstał w Argonne National Laboratory, jest trzykrotnie bardziej wytrzymałe niż baterie o najdłuższym czasie użytkowania obecne dziś na rynku. Tajemnica baterii z Argonne polega na wykorzystaniu anody z węglika krzemu w miejsce tradycyjnej anody grafitowej używanej w katodach baterii litowo-jonowych. Węglik krzemu już wcześniej wykluczono z badań nad bateriami, gdyż był zbyt niestabilny. Specjaliści z Argonne odkryli, że w procesie zwanym grafityzacją można dodać grafen do anody, zwiększając dwukrotnie jej pojemność w porównaniu z anodą grafitową. Dzięki użyciu anody z węglika krzemu można obniżyć o kilkanaście procent wagę baterii lub, zachowując wagę, zwiększyć jej pojemność.
Baterie w 3D
Naukowcom z uniwersytetu w Illinois w Urbana-Champaign udało się opracować nowy akumulator litowo-jonowy, który jest 2000 razy bardziej wydajny, a czas ładowania 1000 razy krótszy niż w przypadku tradycyjnych akumulatorków.
Standardowy akumulator Li-Ion posiada dwuwymiarową anodę wykonaną z grafitu i katodę z soli litu. Prototyp również posiada obydwa te elementy, ale w układzie trójwymiarowym, przekładającym się na znacznie większą powierzchnię zachodzących reakcji. Większa powierzchnia z kolei przekłada się na większą dostarczanej gęstość energii.
Baterie SiO
Koreański koncern LG, zmagając się z problemem krótkiej żywotności smartfonowych baterii, opracował nowy typ baterii litowo-jonowych, w których wykorzystywany jest tlenek krzemu (stąd nazwa SiO).
Z krzemu w bateriach SIO i SIO+ wykonana jest anoda, co ma poprawić ogólną wydajność procesu ładowania, jak również zwiększyć pojemność ogniwa bez konieczności zwiększania jego rozmiarów. Dzięki temu w porównaniu ze starszymi akumulatorami Li-Ion przy tej samej wielkości baterie w nowych smartfonach LG cechują się znacznie większą pojemnością.
Doskonale widać to na przykładzie smartfonu Swift L9. Wykorzystana w nim bateria ma pojemność aż 2150 mAh. Udało się ją zmieścić w ogniwie, które u innych producentów ma tylko 1650 mAh.
Węglowe nanorurki
W niedalekiej przyszłości do sklepów mogą trafić baterie o pojemności nawet 10-krotnie większej niż dotychczas. Stanie się tak dzięki badaniom naukowców z Massachusetts University of Technology, którzy wykorzystali węglowe nanorurki, znacznie zwiększając pojemność baterii na jednostkę wagi.
Zespół naukowców wykorzystał metodę produkcji elektrod, w której materiał bazowy jest zanurzany w roztworze zawierającym węglowe nanorurki i organicznym związkiem nadającym im ładunek pozytywny lub negatywny. Dzięki temu nanorurki tworzą wytrzymałą konstrukcję charakteryzującą się dużą stabilnością - po 1000 cykli rozładowania/ładowania nie doszło do zmniejszenia wydajności baterii.
Nanoakumulator
Nowy rodzaj baterii litowo-jonowych opracowali naukowcy amerykańskiego Uniwersytetu Kolorado. Mogą znaleźć one szerokie zastosowanie - w komórkach, komputerach przenośnych oraz w samochodach elektrycznych i hybrydowych.
Kluczem do sukcesu jest radykalnie zmieniona wewnętrzna struktura baterii. Grafitową anodę klasycznych baterii zastąpiła plątanina nanodrucików z antymonku miedzi. Miniaturyzacja pozwoliła niezwykle powiększyć powierzchnię elektrody, więc w porównaniu z taką samą objętością grafitu - nowa anoda może zdecydowanie szybciej działać i w dodatku jest bardziej odporna na przegrzanie.
Krzemowo-polimerowe elektrody
Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda radykalnie poprawili wydajność akumulatorów litowo-jonowych poprzez stworzenie nowych elektrod wykonanych z krzemu wprowadzonego w hydrożel polimerowy - gąbczasty materiał podobny do tego stosowanego w soczewkach kontaktowych i innych sprzętach gospodarstwa domowego.
Dzięki technice nazywanej syntezą metody polimeryzacji, naukowcy stworzyli stabilne akumulatory litowo-jonowe zachowujące swoją pojemność przez 5000 cykli ładowania i rozładowania. Baterie takie charakteryzują się też większą stabilnością.
Manganowe baterie
Kalifornijska firma Envia Systems opracowuje baterie, które docelowo mają przechowywać dwukrotnie więcej energii niż dotychczasowa technologia tego typu. Głównym miejscem zastosowań nowych akumulatorów będą przede wszystkim samochody elektryczne.
Ulepszona technologia firmy wykorzystuje katodę bogatą w mangan, dzięki czemu jest ona w stanie otrzymać większą liczbę ładunków elektrycznych. Technologia wykonywania w taki sposób katody jest licencjonowana przez Argonne National Laboratory.
Wirusy zamiast zakończenia
Co może w tym względzie przynieść przyszłość pokazują naukowcy ze wspomnianej już MIT, którzy dokonali genetycznej modyfikacji nieszkodliwych dla człowieka wirusów z grupy M13. W obecności węglowych nanorurek wirusy zaczęły samoistnie gromadzić odpowiednie substancje chemiczne, dzięki czemu powstały niezbędne elektrody.
Naukowcy zapewniają, że baterie są nieszkodliwe dla środowiska. Do tego są w miarę tanie. Na razie jednak są to ogniwa o słabej mocy - nadają się jedynie do zasilania małych, przenośnych urządzeń. Docelowo uczeni zamierzają stworzyć większe modele, którym będzie można zasilić komputery lub nawet samochody.
AO
AO/sw/sw
