Baterie szybciej

Samochód elektryczny wyprze spalinowca dopiero wtedy, gdy będzie od niego szybciej tankowany. Już niedługo?

Marzeniem już bodaj trzeciego pokolenia inżynierów jest skrócenie czasu ponownego ładowania baterii i akumulatorów. Dziś ciągle jeszcze czas ten liczy się w godzinach. Tymczasem coraz powszechniej mówi się o samochodach elektrycznych, które nie tylko są 4x wydajniejsze od spalinowych jeśli chodzi o wykorzystanie energii, ale też nie kopcą i nie zanieczyszczają powietrza wyziewami. Jeśli takie samochody mają stać się powszechną rzeczywistością, czas ładowania akumulatorów trzeba zredukować w nich do kilku minut. Nad tym właśnie zagadnieniem pracuje prof. Paul Braun i jego chiński zespół (Huigang Zhang i Xindi Yu) z amerykańskiego Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign (UIUC). Zbudowane przez nich prototypy mogą się już naładować niemal całkowicie w niespełna dwie minuty.

Wszystkie baterie i akumulatory bez względu na skład ich komponentów działają w zasadniczo podobny sposób. Mają dwie elektrody – anodę i katodę – pomiędzy, którymi występuje materiał – z reguły płyn – mający właściwość łatwego przewodzenia prądu elektrycznego, zwany elektrolitem. Kiedy z akumulatora pobiera się prąd, elektrony – jak wiadomo mające ładunek ujemny – płyną z anody do katody przez obwód zewnętrzny, gdzie są zaprzęgnięte do roboty, natomiast w tym samym czasie jony naładowane dodatnio płyną z anody do katody poprzez elektrolit, aby wyrównać ładunki na obu elektrodach. Podczas ładowania  akumulatora  elektrony zmusza się do powrotu przez obwód z katody do anody, a jony dodatnie również wracają w odwrotnym kierunku skąd przyszły.  

Jako jony dodatnie w akumulatorach można użyć wielu różnych materiałów, ale w ostatnich latach ogromną popularność uzyskał  lit ponieważ jest lekki i w stosunku do swej wagi baterie litowo-jonowe potrafią gromadzić więcej energii niż jakiekolwiek inne.  Przed litem powszechnie stosowano akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe. Także dziś, ponieważ są tańsze od litowych, nadal są one w powszechnym użyciu. Prof. Braun postanowił zatem nie przekreślać i tych drugich.    

Dylemat projektanta akumulatorów polega na tym, że tempo ładowania zależy od powierzchni kontaktu między elektrodą a elektrolitem. Najszybciej przebiega ono wtedy, gdy elektrody są cienkie i ustawione względem siebie jak w kanapce. To jednak ma swoją cenę: ilość energii, jaką może zgromadzić bateria zależy od objętości elektrod, więc cienki akumulator nie pociągnie zbyt długo. Potrzebny jest taki, który zapewnia dużą powierzchnie kontaktu, ale nie rezygnuje z pojemności i masy samych elektrod. Potrzebne są potężne, robocze a nie tylko awaryjne akumulatory. No, i chyba właśnie takie opracował zespół profesora Brauna, a co więcej, jego technologia wydaje się od razu nadawać także do masowej produkcji.   

Materiałem wyjściowym, opisanym przez zespół Brauna w czasopiśmie Nature Nanotechnology (Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge-and-discharge bulk battery electrodes, 20.03.2011, Volume 6, pp.277-281) są gęsto upakowane mikroskopijne kulki z polistyrenu o średnicy około jednej tysięcznej milimetra. Jest to struktura jaką znajdujemy w naturalnym opalu (z tym że tam kulki są krzemowe) i stąd – ciekawostka – w obecności światła materiał taki rzeczywiście opalizuje.

Następnym etapem jest wypełnienie struktury takiego „polistyrenowego opalu” niklem w podobny sposób jak nikluje się wyroby ze stali. Potem całość podgrzewa się tak, aby polistyren uległ roztopieniu. Efektem jest gąbka, albo „pumeks”  z metalicznego niklu. Połączenia między kulistymi dziurkami w gąbce powiększa się dodatkowo techniką zwaną elektropolerowaniem, która służy rozpuszczeniu powierzchniowej warstwy metalu. W ten sposób powstaje ażurowy szkielet wykazujący się przewodzeniem elektryczności. I dopiero ten szkielet można wypełnić materiałem używanym do budowy katod. 

Dla wersji akumulatora niklowo-metalowo-wodorkowego materiałem takim jest substancja o nazwie oksyhydroksydem (a więc wodorotlenkiem) niklu. Dla wersji litowo-jonowej jest to dwutlenek manganu nafaszerowany jonami litu. W obydwu przypadkach substancje te osadza się w szkielecie metodą galwaniczną jak przy niklowaniu, zanim jeszcze całość zostanie zanurzona i pozostałe w niej przestrzenie wypełnią się płynnym elektrolitem.

W rezultacie otrzymujemy ogromny obszar styku pomiędzy niklem (który przewodzi elektrony na obie strony akumulatora), katody (która przewodzi jony do i z elektrolitu w celu zrównoważenia odwrotnych ruchów elektronów) i elektrolitu (przez który jony przechodzą pomiędzy katodą i anodą), ale prawie nic nie tracimy z masy i objętości katody. Czyli mamy to, o co chodziło.

Konsekwencją techniczną jest 10-100 razy większa prędkość ponownego ładowania akumulatorów niż w bateriach konwencjonalnych. Zespołowi prof. Brauna udało się skonstruować baterię litowo-jonową, którą można doładować w 90% już po dwóch minutach. Koszt produkcji takich akumulatorów po osiągnięciu efektu pewnej skali przemysłowej ma być tylko 20-30% wyższy. Prędkość ładowania akumulatora zwiększy się jeszcze bardziej, kiedy podobne zmiany technologiczne wprowadzi się także na anodzie, nad czym zresztą zespół Brauna  usilnie teraz pracuje.  

Nie wszystko jednak jest aż tak proste. Potrzebne są dalsze zmiany, i to czasami poważne, w konstrukcji całego pojazdu. Np. konieczne będzie wzmocnienie jego elektryki tak, aby poradziła sobie z ogromnym wzrostem natężenia prądu, jakie wyniknie ze stosowania potężnych akumulatorów. Pozwoli to jednak na doładowywanie samochodów na długich trasach mniej więcej w takim samym czasie, jaki dziś kierowca spędza na stacji benzynowej. Dopiero wtedy inne zalety samochodów elektrycznych, takie jak prostota mechaniki, duże przyspieszenie oraz cicha praca silnika przemogą w umysłach kierowców, stare samochody powoli zjadą na szrot i obiecywana od dawna rewolucja elektryczna na drogach stanie się rzeczywistością.       

Bogusław Jeznach

Dodatek muzy

Mistrzowie saksofonu z New Beginning wykonają utwór „Another Day”