Czy krzem w akumulatorach skróci ładowanie elektryka do przeciętnego czasu tankowania benzyny?

Zacznijmy od tego, że wspomniany grafit jest węglem kopalnym wydobywanym lub wytwarzanym z innych materiałów kopalnych. Posiada on sporo wad, takich jak często dalekie od zadowalających warunki jego wydobycia i negatywny wpływ tego procesu na środowisko. Najważniejszym dla tematu aspektem będzie natomiast warstwowa budowa grafitu, która sprawia, że baterie zawierające ten materiał mają długi, niezadowalający czas ładowania oraz odznaczają się stosunkowo niewielką mocą. 

Mimo to, grafit jest jednym z głównych materiałów, z których tworzy się akumulatory litowo-jonowe, konkretnie jest on wykorzystywany do tworzenia anod w tych urządzeniach. Składają się one z anody, czyli elektrody ujemnej przez którą prąd wpływa do urządzenia oraz z katody, czyli elektrody dodatniej dzięki której prąd wypływa z akumulatora. Zasada działania jest następująca. W trakcie ładowania jony litu w katodzie przemieszczają się do anody, gdzie łączą się z cząsteczkami węgla i są tam przechowywane aż do rozładowania akumulatora, co następuje podczas korzystania z urządzenia. 

Jak poprawić efektywność akumulatorów?

W celu poprawy osiągów współczesnych baterii postanowiono znaleźć bardziej efektywny zamiennik, co doprowadziło do powstania koncepcji zastosowania w anodach krzemu. Metaliczny krzem może przechowywać więcej jonów litu niż grafit, co przekłada się na większe możliwości w magazynowaniu energii. Pomysł został wdrożony w życie, a wydajność nowych akumulatorów zweryfikowali specjaliści z Idaho National Laboratory, dochodząc do interesujących wniosków. 

Akumulatory litowo-jonowe z anodami z przewagą krzemu wykazują się aż pięciokrotnie większą mocą od standardowych akumulatorów oraz dają możliwości magazynowania do 50% więcej energii. Kolejnym benefitem okazuje się być czas ładowania. Nowatorskie urządzenia pozwalają zasilić do 80% baterii w zaledwie 10 minut. Przykładowo oznaczałoby to, że użytkownicy samochodów elektrycznych o zasięgu do 480 km byliby w stanie naładować pojazd do trasy wynoszącej około 390 km w czasie potrzebnym na zatankowanie samochodu na stacji benzynowej. Co więcej, żywotność baterii jest naprawdę duża, ponieważ może ona działać przez 1000 cykli ładowania, zachowując 90% swojej pierwotnej pojemności. 

• Zobacz również: Fotowoltaika w Alpach na wysokości 2500 m n.p.m., czyli odważny krok Szwajcarów

Rozwiązanie zainteresowało światowych gigantów

Połączenie wymienionych korzyści prowadzi do możliwości konstruowania znacznie lżejszych, bardziej wydajnych oraz szybko ładujących się akumulatorów. Będą to kluczowe czynniki brane pod uwagę przy uwzględnianiu tych urządzeń podczas projektowania i ulepszania pojazdów takich jak samochody elektryczne. 

Potwierdzeniem tego może być szybkie zwrócenie uwagi na nowy typ akumulatorów przez firmy takie Mercedes czy General Motors. Ponadto akumulatory z krzemem znalazły zainteresowanie u firm produkujących samoloty pionowego startu i lądowania (eVTOL), dla których kluczowym parametrem dla baterii jest duża moc przy minimalnej wadze urządzenia.

Całym procesem rozwoju nowej technologii zaczęły zajmować się firmy takie jak Group14 Technologies, Amprius Technologies, OneD Battery Sciences czy Sila Nanotechnologies, które chcą skomercjalizować nowy typ akumulatorów. Inicjatywę wspiera rząd Stanów Zjednoczonych, który przeznaczy 250 mln dolarów na budowy fabryk zdolnych do produkcji krzemowych materiałów anodowych, które mają być zlokalizowane na terenie stanu Waszyngton oraz w Korei Południowej.

Ograniczenia w stosowaniu krzemu w akumulatorach

Stosowanie krzemu w akumulatorach posiada jednak pewną wadę, która utrudnia wprowadzanie go do urządzeń. Jest nią pęcznienie tego materiału przy ładowaniu, co może prowadzić do potencjalnych uszkodzeń baterii. Z tego powodu ilość krzemu w akumulatorach musi być ograniczona, a firmy na różne sposoby starają się temu zaradzić. Group14 i Sila stawiają na stosowanie miniaturowych rusztowań do przechowywania krzemu, które ograniczają pęcznienie materiału na poziomie anody, pozostawiając mu jednak wystarczająco miejsca na ekspansję na poziomie molekularnym. Inną strategię przyjmują Amprius oraz OneD Battery, które hodują nanoprzewody krzemowe, które jak twierdzą obie firmy, są mniej podatne na pęcznienie.

Źródło: pv-magazine, cen.acs.org, storaenso.com

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Szymon Chlipała