Można śmiało powiedzieć, że akumulatory rządzą naszym światem. Bez nich nie moglibyśmy używać smartfonów, notebooków, nie mówiąc już o dopiero podbijających rynek samochodach elektrycznych. Z drugiej strony zmorą jest ciągłe ich ładowanie. John Goodenough, wynalazca powszechnie dziś znanych ogniw litowo-jonowych, przyszłość akumulatorów widzi w szkle, które ma zastąpić stosowany w nich do tej pory ciekły elektrolit.
Zestawy baterii litowo-jonowych w Nissanie Leaf. (zdjęcie: Tennen-Gas/Wikimedia.org)
Wynalezienie baterii litowo jonowej często stawiane jest na równi z odkryciem tranzystora. To dzięki niej możliwa stała się miniaturyzacja urządzeń elektronicznych i rozpoczęcie seryjnej produkcji samochodów elektrycznych. Jeśli ktoś z Was pamięta „płaską baterię do latarki” to nie trzeba go chyba przekonywać o postępie, jaki nastąpił w tej dziedzinie w ciągu ostatnich dwudziestu lat. Z drugiej strony, wybuchające baterie w notebookach, smartfonach czy bezprzewodowych słuchawkach przypominają o wadach obecnej technologii.
Baterie Li-Ion wypełnione są płynnym elektrolitem albo elektrolitem, który został rozpuszczony w polimerze, tak jak to ma miejsce w płaskich ogniwach znanych np. ze smartfonów. Lit i jego sole (np. wykorzystywany jako katoda tlenek litowo-kobaltowy LiCoO2), wykazują dużą reaktywność i są wrażliwe na wysoką temperaturę i przeładowanie. Z kolei, w ogniwach Li-Po (też litowo-jonowych dla porządku) zamknięte są łatwopalne rozpuszczalniki, które mogą eksplodować. Dopóki projektanci uwzględniają te ograniczenia, a użytkownicy pamiętają, że takich ogniw nie można przeładować, przegrzać, złamać czy przebić – są one bezpieczne.
Akumulator, który zapalił się na pokładzie Boeinga 787, należącego do linii Japan Airline. (zdjęcie: NTSB)
Szkło: bezpieczniej i wydajniej
W zeszłym tygodniu 94-letni już ojciec ogniw Li-ion, John Goodenough wraz z zespołem naukowców przedstawił strategię ich dalszego rozwoju. W akumulatorach przyszłości płynny elektrolit czy polimer ma zostać zastąpiony szkłem. Wyposażona w stały elektrolit nowa bateria ma gromadzić trzy razy więcej energii, ładować się szybciej, dobrze działać w niskich temperaturach i już nigdy nie wybuchać.
Brytyjska “Niebieska tablica” upamiętniająca wynalezienie w 1980 roku przez Johna Goodenogh’a ogniwa Li-ion. (zdjęcie: Kastrel/Wikimedia.org)
Pewnie dziwicie się, jak to możliwe. Przecież szkło, jakie znamy z naszych okien, jest raczej dobrym izolatorem i nie przewodzi prądu. Ale szkło szkłu nie równe i… jest to szkło, czyli ciało w stanie amorficznym. Szkło wygląda jak ciało stałe, ale jego wewnętrzna struktura przypomina ciecz (zachowana jest w nim pewna ruchliwość jonów). O ile w ciałach stałych nie da się zrobić elektrolitu, to w cieczach tak. Za pomocą odpowiednich domieszek naukowcy mogą „zrobić” z niego elektrolit. Nie ma w nim tak dużych wolnych przestrzeni jak pomiędzy polimerami (potnijcie papier na paski, wrzućcie do szklanki i zobaczcie, ile da się wsypać tam kaszy czy piasku), dzięki temu można będzie zgromadzić w nim więcej energii. Szkło staje się też samo dla siebie solidnym opakowaniem i nie trzeba go np. oddzielać separatorami czy warstwami separacyjnymi, które występują w ogniwach polimerowych i zabezpieczają je m.in. przed powstawaniem zwarcia. To nie wszystko, bo Goodenough zamiast stosunkowo drogiego w produkcji litu, prowadzi badania nad zastąpieniem go sodem. A tego w postaci słonej wody czy soli kuchennej jest pod dostatkiem. Oznacza to, że litowo-szklana bateria powinna być też tańsza w produkcji. Ponadto szkło jest w miarę dobrym przewodzikiem ciepła, więc pozwala zminimalizować ryzyko przegrzania.
Praca opublikowana przez naukowców w periodyku Energy & Environmental Science wydawanym przez brytyjskie Royal Society of Chemistry nazwana jest, jak na razie „nową strategią w rozwoju bezpiecznych baterii”, a nie finalnym dziełem. Czy nowy pomysł będzie „good enough”, by zastąpić technologie obecnie wykorzystywane w bateriach, pokaże czas.
Zdjęcia: Nissan Leaf – Tennen-Gas/Wikimedia.org; Ogniwa z Boeninga 787 – National Transportation Safety Board; Niebieska tablica – Kastrel/Wikimedia.org
Autor jest dziennikarzem Magazynu Komputerowego CHIP