Czy bez akumulatorów cywilizacyjnie jesteśmy zgubieni? Z pewnością brak bezprzewodowej elektroniki byłby dla wielu z nas istną katorgą. Nic dziwnego, że cały czas poszukuje się sposobów, aby ogniwa były tańsze oraz by wykorzystać do ich budowy bardziej powszechne surowce. Niewykluczone, że niedawne badania BAM zbliżą nas do popularyzacji baterii ze stałym elektrolitem.
Współczesne akumulatory w skrócie
Przez ostatnich kilkanaście lat podstawą baterii w urządzeniach mobilnych były ogniwa litowo-jonowe. Składają się z grafitowych elektrod ujemnych (anod), elektrod dodatnich (katod) wykonanych z tlenków metalu lub fosforanu, natomiast elektrolit stanowi sól litu w rozpuszczalniku organicznym.
Ostatnio doszło na tym polu do ewolucji i w urządzeniach mobilnych zaczęto wdrażać ogniwa węglowo-krzemowe. Różnica polega w zastosowaniu anody wykonanej z węglowo-krzemowej mieszanki. Tego typu elektroda jest w stanie przechować o wiele więcej jonów litu – w teorii możemy mówić tu o ponad 10-krotnie większej pojemności (4200 mAh/g zamiast 372 mAh/g).
Prawdziwym Świętym Graalem są jednak duże ogniwa ze stałym elektrolitem (solid-state battery). Obecnie SSB wykorzystuje się m.in. w rozrusznikach serca czy urządzeniach RFID. W przypadku dużych urządzeń jest sporo przeszkód do przeskoczenia, takich jak wysokie koszty produkcji czy litowe dendryty – formacje metalurgiczne rozrastające się w kierunku separatora powodujące zwarcia prowadzące do przegrzewania się i eksplozji akumulatora.
Baterie sodowe nadzieją na tanie SSB
Zespół pracujący w Niemieckim Instytucie Federalnym Badań i Testowania Materiałów (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung – BAM), kierowany przez Gustava Graebera, udowodnił jakiś czas temu, że alkaliczno-metalowa anoda w stanie ciekłym jest w stanie dostarczyć stokrotnie więcej mocy niż odmiana wykonana z grafitu.
Aby jednak osiągnąć taki poziom wydajności system musi pracować w ok. 250∘C. Aby nieco schłodzić cały proces naukowcy dodają nieco potasu. Problem w tym, że akumulatory ze stałym elektrolitem szybciej degradują przy kontakcie z potasem – wtedy elektrolit zaczyna stanowić wąskie gardło.
Rozwiązaniem tego impasu jest nowoodkryty materiał – NASICON (new sodium super-ionic conductor). Przewodnik elektryczny zbudowany z nasikonu świetnie przewodzi jony w temperaturze pokojowej oraz lepiej toleruje współpracę z potasem. Jeszcze lepsze efekty uzyskuje się przez dodanie hafnu. Niestety, jest to rzadki i drogi pierwiastek. BAM szuka zatem domieszki, która byłaby w stanie zastąp hafn w procesie stabilizacji. Najbardziej obiecujące kompozycje są już wbudowywane i poddawane cyklom ładowania i rozładowania w prototypowych ogniwach sodowych.
Jeżeli poszukiwania zakończą się powodzeniem, baterie sodowe ze stałym elektrolitem mogłyby w końcu opuścić laboratoria i trafić do masowej produkcji w urządzeniach elektronicznych, samochodach elektrycznych czy magazynach energii. Większa gęstość energetyczna to więcej pojemności na tej samej powierzchni, a elektrolit w formie ciała stałego zwiększa bezpieczeństwo całego układu. Co więcej, sód to jeden z najpowszechniejszych pierwiastków w skorupie ziemskiej, występujący w wielu minerałach. Jego zasoby szacuje się na ponad 1000-krotnie większe (!) niż litu i kobaltu.
Miejmy zatem nadzieję, że do masowej produkcji SSB z nasikonem jesteśmy bliżej niż dalej.
