Nowe technologie wciąż się rozwijają, a alternatywne metody produkcji i wytwarzania energii są nieustannie poszukiwane. Dotyczy to także baterii i akumulatorów. Firmy prześcigają się w poszukiwaniu innowacyjnych rozwiązań, które mogą zwiększyć wydajność, pojemność i długość życia akumulatorów.

Okazuje się, że nowych możliwości jest całkiem sporo, a prace nad nimi idą w coraz lepszym kierunku. Co dotychczas udało się odkryć naukowcom w tej dziedzinie? Czego dowiesz się z lektury?

• Trwają intensywne prace nad nowymi typami ogniw – szczególnie obiecujące są baterie sodowo-siarkowe (mogą mieć 4x większą pojemność niż litowo-jonowe) oraz litowo-siarkowe (tańsze w produkcji i bardziej pojemne od litowo-jonowych), choć te drugie niosą ryzyko pożaru przy uszkodzeniu.
• Chiński koncern Geely Auto Group opracował rewolucyjną baterię „short blade” (typu LFP), która według deklaracji producenta może zapewnić zasięg do 1 miliona kilometrów, ładuje się w 17 minut i zachowuje ponad 90% pojemności nawet przy -30°C. Jest też odporna na ekstremalne warunki jak ogień czy zanurzenie w wodzie.
• LG pracuje nad przełomową metodą „powlekania na sucho” elektrod, która ma zostać skomercjalizowana do 2028 roku. Nowa technologia ma zapewnić 10% wyższą pojemność i 30% dłuższą żywotność baterii. Równolegle Toyota rozwija technologię mającą umożliwić zasięg 1500 km przy ładowaniu trwającym tylko 10 minut.

Warto podkreślić, żę w naszym sklepie BTO.pl możesz kupić wysokiej klasy akumulatorki oraz baterie, wyróżniające się ponadprzeciętną żywotnością i rewelacyjnymi parametrami.

Ogniwa sodowo-siarkowe zastąpią technologie akumulatorów litowych?

Jeszcze do niedawna najpopularniejszym rodzajem akumulatorów były kwasowo-ołowiowe (SLA), a to głównie ze względu na ich niską cenę. Drugim, popularnym rodzajem były litowe, a dokładnie akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion). Jednak trend może niedługo ustąpić miejsca dla ogniw sodowo-siarkowych.

Obecnie trwają badania nad bateriami SLA, a głównymi ich prekursorami są naukowcy z University of Sydney, którym udało się dotychczas stworzyć bateryjkę guzikową sodowo-siarkową. W teorii ma ona mieć pojemność ogniwa 1600 mAh. Jednak, jak na razie, udało się wyprodukować mniejszą wersję. Ta zachowała swoje właściwości w temperaturze pokojowej i aż 50% pojemności przez 1000 cykli życia.

W dodatku akumulator SLA jest stosunkowo tani w produkcji i przyjazny dla środowiska. Szacuje się, że ogniwa sodowo-siarkowe mogą mieć czterokrotnie większą pojemność w porównaniu z tradycyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi.

Przełom w technologii akumulatorów litowo-siarkowych

Kolejnym rodzajem produktów magazynujących energię, które prężnie się rozwijają, są akumulatorki litowo-siarkowe. Tutaj prym wiodą chińscy naukowcy. To właśnie im udało się stworzyć prototyp zasobnika energii litowo-siarkowego w dwóch wersjach — woreczkowej i pastylkowej.

Produkt powstał poprzez pokrycie katody kwasem poliakrylowym, co pozwoliło zachować ładunek w ogniwie i ustabilizować bateryjkę. Warto mieć na uwadze, że ta technologia (Li-S) niesie ze sobą możliwość pożaru w przypadku uszkodzenia. Akumulatory litowo-siarkowe są jednak przy tym znacznie tańsze w produkcji i bardziej pojemne od modeli litowo-jonowych.

Nowa wersja stworzona przez Chiński Uniwersytet Nauki i Technologii Elektronicznej w Chengdu różni się od tradycyjnego dodatkową warstwą PAA między katodą i elektrolitem. Dzięki temu ograniczono rozpuszczalność siarki, zachowując tym samym wysoką pojemność nawet po 300 cyklach ładowania. Co więcej, nowa wersja Li-S w formie woreczkowej może działać w ekstremalnych warunkach. Złożenie lub przecięcie woreczka nie wpływa na działanie zasobnika energii.

Z kolei w tym samym czasie po 300 cyklach ładowania i rozładowania, prototyp pastylkowy zachowało 72% pojemności. Sprawia to, że ten model jest również wydajny, choć nie aż tak jak wersja woreczkowa. Może to wynikać właśnie z różnic strukturalnych  i sposobu przeprowadzania reakcji elektrochemicznych.

Chińczycy nie poprzestają na laurach – cudowna bateria

Na rynku akumulatorów, gdy chodzi o innowacje, prym wiodą zdecydowanie Chińczycy. Korporacja Geely Auto Group w ostatnim czasie nawiązała współpracę ze znanymi globalnymi liderami w produkcji technologii i akumulatorów nowej generacji i nie tylko, jak CATL, Farasis Energy czy LG Energy Solutions. W efekcie firma wprowadziła na rynek nowy typ baterii, czyli short blade. Jest to akumulator LFP, czyli litowo-żelazowo-fosforanowa.

Produkt cechuje się unikalną konstrukcją, bazującą na nanorurkach, dzięki którym jony mogą być łatwiej i szybciej przekazywane. To z kolei wpływa znacząco na wydajność. Akumulatorek można o wiele szybciej naładować i ma on wyższą żywotność od dotychczasowych produktów firmy. Ta obiecuje nawet 1 milion kilometrów na jednym ładowaniu, które trwa niespełna 17 minut.

Short Blade Battery ma być także odporna na ekstremalne warunki, jak ogień, bardzo niskie temperatury czy woda. Nawet przy -30 stopniach Celsjusza ma zachowywać ponad 90% pojemności.

Produkt Geely Auto Group ma charakteryzować się dużo wyższą gęstością energii i być znacznie bezpieczniejszy od innych nowych baterii. Producent zapewnia, że przeszła pozytywnie wszelkie sprawdziany, a także z dobrym wynikiem testowano ją w wyjątkowo trudnych warunkach, jak m.in. zanurzenie w wodzie morskiej, prażenie w ogniu, trzymanie w bardzo niskiej temperaturze czy 26-tonowy walec.

LG ma rewolucyjny sposób na katodę

LG, jak na razie może świętować największy sukces w dziedzinie akumulatorów. To prawdziwy przełom w dziedzinie, choć trudny do osiągnięcia. Chodzi o metodę powlekania na sucho, którą firma stopniowo chce zastępować proces produkcji na mokro elektrod anodowych i katod. 

Tesla i Volkswagen próbowali już wdrażać metodę suchą produkcji anody. Niestety, ich metody nie znajdowały zastosowania w przypadku katody. LG poszło o krok dalej, by zrewolucjonizować produkcję akumulatorów samochodów elektrycznych i swoją technologię chce skomercjalizować do 2028 roku.

LG udało się opracować metodę, która pozwala na produkcję na sucho katod i anod, niezależnie od wielkości cząstek katody. Gigant produkuje już monokrystaliczne elektrody ujemne wysokoniklowe, które będzie montował w produktach w proporcji 1:4 z dotychczasowymi. Stopniowo jednak ma dążyć do zmiany w 100% na nowy rodzaj. Nowy materiał ma cechować się 10% wyższą pojemnością i ponad 30% dłuższą żywotnością.

Rozwój konkurencyjnego europejskiego przemysłu produkcji akumulatorów

Wśród europejskich konkurentów w rozwoju nowych technologii bateryjnych należy docenić także Niemców. Naukowcy z Karlsruhe odkryli bowiem, w jaki sposób powstaje warstwa pasywna na elektrodach (proces ten nazywany jest w skrócie SEI). Warstwa ta tworzy się na powierzchni elektrod baterii litowo-jonowych, wpływając na długość cyklu.

Dzięki badaniom nad SEI naukowcy mogli lepiej wyróżnić czynniki wpływające na grubość warstwy pasywnej. Dzięki temu producenci mogą mieć bezpośredni wpływ na ten element oraz precyzyjniej kontrolować procesy elektrochemiczne w produktach. To przyczyni się z kolei do zwiększenia długości magazynowania energii i pojemność zasobników energii w trakcie cykli.

Polscy naukowcy mają plan na akumulatorki i baterie przyszłości?

Polacy nie tylko śledzą poczynania innych krajów, ale sami poszukują sposobu na zrewolucjonizowanie rynku energetycznego. Obrali jednak inną drogę, niż konkurencja i na Uniwersytecie Warszawskim od lat pracują nad ulepszeniem bateryjek litowo-jonowych. Drugim obszarem badań są ładowalne konstrukcje kwasowe ogniw elektrycznych cynkowo-manganowych.

Dotychczas w dziedzinie baterii udało się polskiemu zespołowi naukowców opracować metodę LVE — Limited Volume Electrode. Stosuje się ją do badań wodoru w materiałach wodochłonnych, ale równie przydatna okazuje się podczas badań nad zasobnikami energii. LVE pomaga w produkcji ogniw ołowiowo-kwasowych, które są wysokoenergetyczne. Limited Volume Electrode pozwala również usprawnić pracę nad recyklingiem bateryjek cynkowo-węglowych i alkalicznych.

Polacy pracują również nad bateryjkami krzemowymi. Te jednak mają problematyczną przypadłość, gdyż mają tendencję do „puchnięcia” w trakcie eksploatacji, a to zwiększa ryzyko pożaru.

Obecnie jednak głównym wyzwaniem polskich naukowców jest opracowanie nowych metod magazynowania energii elektrycznej, które spełniałyby wymagania polityki klimatycznej UE oraz były tanie.

Jakie będą akumulatory i baterie przyszłości?

Opcji na to, jak będą prezentować się zasobniki energii przyszłości, jest wiele. Obecnie podaje się, że szansę na przebicie mają bateryjki półprzewodnikowe, litowo-siarkowe, żelazowo-powietrzne, a kolejnym innowacyjnym rozwiązaniem mają być baterie z pokruszonych skał.

Te ostatnie mają magazynować nie prąd, a ciepło. Obecnie nad ich rozwojem już od 2012 roku pracuje nad nimi izraelska firma Brenmiller Energy. Takie zasobniki energii mogą być wykorzystywane przede wszystkim w przemyśle. Z kolei modele Li-S mają być bardziej ekologiczne i dzięki nowoczesnym metodom produkcji zużywać o 25% mniej energii do ich tworzenia.

Firmy wciąż prześcigają się w obmyślaniu nowych strategii i rozwiązań. Według VW wdrożenie technologii powlekania na sucho może umożliwić producentom zmniejszenie zużycia o 30 proc. energii i o 50 proc. miejsca.

Natomiast Toyota opracowuje technologie, które mają pozwolić na stworzenie baterii do pojazdów elektrycznych, zapewniającej możliwość przejechania nawet 1500 km przy pełnym naładowaniu. To ma trwać jedynie 10 minut. Na chwilę obecną udało się osiągnąć 500 km po ładowaniu przez pół godziny.

Wiele technologii jest w dalszym ciągu na etapie badań i rozwoju. Dotychczasowe osiągnięcia w temacie jednak pokazują, że naukowcy nie próżnują, a branża akumulatorów i baterii może niedługo zupełnie się zmienić. Naukowcy z całego świata nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa.