Innowacje techniczne

Czy Święty Graal elektroniki będzie ze szkła?

Każde urządzenie elektroniczne wymaga prądu, a żyjemy w takich czasach, że przywiązanie kablem do ściany nie wchodzi w rachubę. Dlatego znalezienie dobrego ogniwa zapewniającego energię do pracy naszym urządzeniom jest Świętym Graalem współczesnej elektroniki. Myślą o tym wszyscy – od producentów procesorów, przez twórców telefonów komórkowych, aż po przemysł motoryzacyjny. Czy najnowsze odkrycia zbliżają nas do przełomu?

Autor: Marcin Bójko

Teoretycznie zasada działania baterii galwanicznej jest prosta. Mamy dwie elektrody zanurzone w elektrolicie. Na skutek reakcji chemicznych między elektrodami a elektrolitem pojawia się różnica potencjałów i możemy puścić prąd. Jeśli dodatkowo reakcja chemiczna jest odwracalna, to znaczy puszczając prąd w przeciwnym kierunku możemy reakcję odwrócić i doprowadzić ogniwo do stanu pierwotnego, to mamy do czynienia z tak zwanym ogniwem wtórnym, czyli akumulatorem.

Elektrody i elektrolit można zrobić z wielu rzeczy. Przez wiele lat najpopularniejsze były ołów i tlenek ołowiu oraz kwas siarkowy – ten rodzaj ogniw znajdziemy w każdym samochodzie. Klasyczne akumulatory ołowiowe mają sporo zalet: można je ładować i rozładowywać dużym prądem, są trwałe, proste, a przy tym surowce do ich produkcji są tanie i na dodatek nie wymagają wyrafinowanych urządzeń ładujących. W zasadzie najpoważniejszą ich wadą jest to, że są bardzo ciężkie, co dyskwalifikuje je w zastosowaniach związanych z urządzeniami mobilnymi czy w lotnictwie, choć na przykład z powodzeniem stosowane są do dziś w okrętach podwodnych, gdzie duża masa nie jest bardzo dużym problemem.

Wady ogniw ołowiowych sprawiły, że naukowcy zaczęli opracowywać nowe sposoby przechowywania energii elektrycznej w bateriach i tak powstały najpierw akumulatory niklowo-kadmowe, potem niklowo-wodorkowe. Dosyć istotną wadą tych ogniw jest tzw. efekt pamięci i efekt leniwej baterii. Pierwszy z nich powoduje, że ogniwo wydaje się tracić pojemność (tak naprawdę następuje duży spadek napięcia interpretowany przez układy monitorujące jako sygnał całkowitego rozładowania). Efekt leniwej baterii to z kolei spadek napięcia znamionowego ogniwa na skutek niecałkowitego rozładowania. Obydwa problemy można usunąć za pomocą specjalistycznej ładowarki. Ogniwa tego typu dobrze jest rozładowywać do cna, zwłaszcza w przypadku kilku pierwszych cykli naładowania i rozładowania. Proces ten często zwany jest formowaniem i do dziś część właścicieli nowych telefonów komórkowych przez pierwszych kilka dni rozładowuje baterię całkowicie i dopiero po tym ładuje, nie wiedząc, że takie postępowanie tak naprawdę szkodzi bateriom litowo-jonowym, czy litowo-polimerowym, które wypierają baterie niklowe w wielu zastosowaniach.

Zespół prof. Johna Goodenougha z Cockrell School of Engineering opracował nowatorską technologię budowy ogniw elektrycznych. (fot. University of Texas).

Baterie litowo-jonowe i litowo-polimerowe oferują większą gęstość energii – można uzyskać więcej kilowatogodzin z kilograma i z litra baterii niż w przypadku ogniw niklowych, nie mówiąc już o ołowiowych. To niezaprzeczalna zaleta. Niezaprzeczalną wadą są konieczność skomplikowanych układów ładowania, ogromna wrażliwość na zbyt duże rozładowanie i najgorsze ze wszystkich – możliwość wewnętrznego zwarcia prowadzącego do przegrzania, a w skrajnych wypadkach do wybuchu baterii. Przegrzanie i dym ulatniający się z ogniw w Boeingach 787, czy przypadki samozapłonu telefonu komórkowego to właśnie te głośne przypadki, które sprawiły, że baterie oparte o związki litu mają złą sławę.

Inżynierowie od dawna poszukują nowych rozwiązań, które pozwoliłyby po pierwsze pozbyć się wad ogniw litowych, a może też przy okazji pozwoliły powiększyć pojemność i szybkość  ładowania. Jeden z pomysłów został niedawno zaprezentowany na łamach czasopisma naukowego „Energy & Environmental Science” przez zespół pod kierownictwem Johna Goodenougha, profesora Cockrell School of Engineering na University of Texas w Austin. Dziewięćdziesięcioczteroletni naukowiec ma bardzo dobre referencje – to on w 1980 roku wynalazł materiał stosowany obecnie w katodach baterii litowo-jonowych. Teraz kierowany prze niego zespół opracował nowatorską technologię budowy ogniw elektrycznych w oparciu o stały, amorficzny elektrolit zwany czasem elektrolitem szklanym. Żeby oddać sprawiedliwość, projekt w zespole Goodenougha realizowała Maria Helena Braga z portugalskiego Uniwersytetu w Porto. Goodenough podpowiedział jak wykorzystać właściwości stałego elektrolitu, co zaowocowało prototypem i patentem. Właściwości prototypowego ogniwa są obiecujące: jest trzykrotnie pojemniejsze niż odpowiadający mu rozmiarami akumulator litowo-jonowy, pozwala też na znacznie szybsze ładowanie, pracuje w temperaturach do -20 stopni Celsjusza, a w czasie testów przeszedł 1200 cykli ładowania i rozładowania bez zmiany pojemności, co wróży dużą trwałość baterii.

Główną rolę w przełomowych badaniach zespołu prof. Johna Goodenougha odegrała Maria Helena Braga z Uniwersytetu w Porto. (fot. University of Texas).

Stały elektrolit ma kilka zalet. Po pierwsze nie zachodzi w nim zjawisko dysocjacji metalu z elektrody, które w bateriach litowych prowadziło do powstawania tzw. dendrytów – mostków z metalu, które mogły powodować zwarcia i w konsekwencji samozapłon baterii. Po drugie są bardzo wytrzymałe mechanicznie – baterie litowo-jonowe, czy litowo-polimerowe mogły zapalić się od mocnego uderzenia (czego doświadczył niejeden modelarz po nazbyt twardym lądowaniu helikopterem czy samolotem). Wreszcie pozwala na zastosowanie alkaicznego metalu, jakim jest lit lub sód w elektrodach, co radykalnie poprawia własności elektryczne baterii.

W przypadku baterii litowo-jonowych prototyp gotowy do produkcji masowej pokazano w 1985 roku, a pierwsze ogniwo produkowane seryjnie trafiło na rynek w 1991 roku. Ale od tego czasu potrzeby rynku wzrosły niebotycznie, więc ciśnienie na szybsze wprowadzanie nowinek z pewnością jest większe.

Dla konsumentów badania prowadzone w Cockrell School of Engineering oznaczają jedno: możemy spodziewać się lepszych baterii do wszelkich urządzeń przenośnych, większego zasięgu i krótszego ładowania aut elektrycznych.

Udostępnij ten artykuł

Podobne tematy

Innowacje techniczne Nauka

Przeczytaj w następnej kolejności

Read Full Story