Zabudnuté heslo?
Prihlásenie

„Najrýchlejšie elektródy na svete“ strojnásobia hustotu lítiových batérií

Autor:
Roman Mališka
Zverejnené:
7. 10. 2020
Hodnotenie:
Už ste hlasovali.

Francúzska spoločnosť Nawa Technologies tvrdí, že vyrába nový dizajn elektród, ktoré môžu radikálne zvýšiť výkonnosť súčasných i budúcich chemických postupov v oblasti batérií. Nový postup údajne poskytne až trojnásobnú hustotu energie, desaťnásobok energie, výrazne rýchlejšie nabíjanie a až päťnásobnú životnosť batérií.

Spoločnosť Nawa Technologies je známa svojou prácou na ultrakondenzátoroch a teraz oznámila, že rovnaké technologicky pokročilé elektródy, ktoré používa v týchto ultrakondenzátoroch, sa dajú okrem iného prispôsobiť aj pre lítium-iónové batérie súčasnej generácie, čo by im mohlo priniesť obrovské zlepšenie energetických vlastností.

Pri lítium-iónových batériách závisí všetko od toho, ako je aktívny materiál držaný v elektróde, a tiež od trasy, ktorú musia ióny v tomto materiáli prejsť, aby vydali náboj. Dnešná bežná elektróda z aktívneho uhlíka je vyrábaná zo zmesi práškov, prísad a spojív. Tam, kde sa používajú uhlíkové nanotrubice, sa zvyčajne prilepia neusporiadaným spôsobom v podobe „zamotaných špagiet“. To dáva iónom, ktoré prenášajú náboje, náhodnú, chaotickú a často blokovanú cestu, ktorou môžu prechádzať na svojej ceste ku kolektoru prúdu pod napätím.

Vertikálne zarovnané uhlíkové nanotrubice od spoločnosti Nawa Technologies na druhej strane vytvárajú anódovú alebo katódovú štruktúru podobnú kefke na vlasy, pričom z každého štvorcového centimetra vyčnieva až sto miliárd priamych, vysoko vodivých nanotrubíc. Každý z týchto malých, bezpečne zakorenených pólov, je potom potiahnutý aktívnym materiálom, či už lítium-iónovým alebo nejakým iným.

Vľavo je zobrazenie typickej chaotickej štruktúry elektród, cez ktoré musí ión prechádzať. Vpravo je tuhá štruktúúra vertikálne usporiadaných nanotrubíc.

Výsledkom je drastické zníženie strednej voľnej dráhy pohybu iónov, čo je vzdialenosť, ktorú musí náboj prekonať, aby sa dostal dovnútra alebo von z batérie, keďže každá kvapka lítia je viac-menej priamo spojená s nanotrubicou, ktorá funguje ako priamočiara diaľnica a časť súčasného kolektora. Vzdialenosť, ktorou sa ión musí pohybovať cez lítiový materiál, je podľa spoločnosti Nawa v tomto prípade len niekoľko nanometrov, namiesto mikrometrov pri použití typickej elektródy.

To radikálne zvyšuje hustotu energie, čiže schopnosť batérie poskytovať rýchle nabíjanie a vybíjanie, a to až 10-násobne. To znamená, že menšie batérie môžu vydať 10-krát viac energie a doba nabíjania týchto batérií sa môže tiež dramaticky skrátiť. Vývojári tvrdia, že päťminútové nabíjanie by malo pri správnej nabíjacej infraštruktúre dokázať nabiť batériu z 0 na 80 percentnú kapacitu.

V tomto riešení sú medzi nanotrubicami medzery a používa sa aj menej cudzích spojovacích a aditívnych materiálov. Batéria obsahujúca dané množstvo aktívneho materiálu sa tak môže stať oveľa ľahšou a kompaktnejšou. Inak povedané, hustota energie, spoločne s hmotnosťou a objemom, tak skočí o faktor 2 – 3 násobku.

Tuhá štruktúra a rozsiahla plocha tohto poľa nanotrubíc, ako aj široká distribúcia drobných lítiových blokov, ktoré sú k nemu pripojené, eliminujú množstvo faktorov, ktoré spôsobujú ubúdanie, stratu výkonu a postupné vybíjanie batérií. Pomocou tejto technológie by tak mala byť životnosť batérie až päťkrát dlhšia. Spoločnosť je pritom presvedčená, že technológia bude z pohľadu nákladov konkurencieschopná s existujúcimi elektródami.

Pohľad na sústavu elektród nanotrubíc vo vybitom stave.

Francúzski vývojári už prešli od prototypovej jednotky k prevádzke celej funkčnej výrobnej jednotky, ktorá dodáva vertikálne usporiadané uhlíkové nanotrubice pre ultrakapacitné zariadenia. Táto elektródová technológia je údajne viac-menej agnostická, to znamená, že je možné ju použiť na valcové články alebo ploché články všetkých veľkostí.

A nemusí to byť len v rámci lítium-iónových článkov. Spoločnosť vyvinula procesy na zvýšenie kompatibility nanotrubíc s radom aktívnych materiálov, vrátane chemikálií kremíka, niklu, mangánu, kobaltu a síry a ďalších exotických technológií, ktoré skúma so špecifickými výrobcami. Napríklad batérie na báze kremíka by mohli ponúkať zhruba dvojnásobnú hustotu energie, čo je približne šesťnásobok v porovnaní s lítiovou batériou. To by mohlo potenciálne výrazne znížiť cenu batérií, keďže sa z rovnice vylúči drahý vzácny kov.

Očakáva sa, že nová technológia by sa mohla dostať na trh niekedy v rokoch 2022 a 2023. Prechod na tento typ elektród si bude vyžadovať, aby spoločnosti vyrábajúce batérie vykonali pomerne značné zmeny v počiatočných fázach ich výrobných procesov. No radikálne zlepšenia vlastností batérií by mali spôsobiť, že sa týmto elektródam bude ťažko konkurovať.

Prvým veľkým zákazníkom spoločnosti Nawa Technologies je francúzsky výrobca batérií Saft, ktorý spolupracuje so spoločnosťami PSA a Renault v rámci Európskej aliancie batérií na vývoji batérií pre elektromobily týchto značiek. Spoločnosť tiež priamo komunikuje s niekoľkými automobilkami, ako aj s ďalšími výrobcami batérií, ktorí dodávajú akumulátory pre elektromobily.

Takéto zvýšenie energie a energetickej hustoty by mohlo byť revolučné nielen pre elektrické automobily, motocykle, bicykle a iné druhy pozemnej dopravy, ale predstavovalo by aj potenciálne obrovský skok v oblasti elektrifikácie letectva. V tomto odvetví totiž hmotnosť, hustota energie a pomalé časy nabíjania dnešných lítiových batérií v súčasnosti kladú obrovské obmedzenia v dolete a komerčnej životaschopnosti lietadiel s nulovými emisiami.

Elektródová technológia spoločnosti Nawa Technologies je "agnostická" a funguje rovnako dobre so všetkými rôznymi tvarmi batérií s rôznymi chemickými zloženiami.