Naukowcy z Chin rozwiązali główny problem, który od lat zabija baterie sodowo-metalowe. Tym wrogiem były dendryty – ostre, przypominające igły narośla, które przebijają separatory i powodują zwarcia. Był to fatalny błąd technologiczny. Aż do dzisiaj.
Nowy projekt, opublikowany 21 maja w czasopiśmie Nano-Micro Letters, ładuje się w cztery minuty. Już za cztery. Jednocześnie zachowuje swoją pojemność przez lata. Żadnych zwarć. Brak wybić dendrytów.
Kluczowym przełomem było opracowanie trwałego, quasi-ciekłego elektrolitu żelowego o nazwie Sn-FB QSE.
Baterie sodowo-metalowe (SMB) są postrzegane jako czołowy pretendent do dziedzictwa akumulatorów litowo-jonowych. Są tańsze, bezpieczniejsze i wykorzystują łatwo dostępne materiały. Ale mają zły zwyczaj eksplodowania na wystawach Science Fair. Dlaczego? Ponieważ sód jest niezwykle reaktywny.
Gdy jony poruszają się wewnątrz akumulatora, tworzą warstwę zwaną SEI (pośredni elektrolit stały). Jego zadaniem jest ochrona anody. To zwykle działa dobrze. Warstwa ma grubość od 10 do 50 nanometrów, czyli jest mikroskopijnie cienka. Ale w przypadku sodu pęka. Przez te pęknięcia zaczynają gromadzić się jony sodu. Tworzą się grudki. Guzki zamieniają się w kolce. Kolce przebijają membranę. Trzask.
Sn-FB QSE rozwiązuje ten problem. Jest półstały, odporny na przebicie i zapobiega wrastaniu sodu w stalaktyty.
Wyniki testu? Trudno je zignorować.
Zespół ładował i rozładowywał ogniwo przez ponad 6000 godzin. Sześć tysięcy godzin ciągłej jazdy na rowerze. Ani jedna bariera nie została przełamana przez dendryty.
Doprowadzili prędkość ładowania do absolutnego limitu. Od 0 do 100% w cztery minuty. Bateria miała pojemność 80,1 mAh/g. To około połowa wydajności najwyższej klasy akumulatorów litowo-jonowych przy tej samej szalonej prędkości. Ale prędkość nie jest jedynym kryterium.
Zwolnijmy tempo. Ładowanie w 20 minut zamiast 4. Kontynuuj jazdę na rowerze. Po 2000 cyklach akumulator zachował 90% swojej pierwotnej pojemności. Mieści się to w teoretycznych granicach obecnej technologii litowo-jonowej. Ale jest taniej. I bezpieczniejsze.
Małe i średnie firmy łączą niski koszt i dostępność materiałów sodowo-jonowych z wysoką gęstością energii i zwartością technologii litowo-jonowych.
Rozmiar ma znaczenie. Baterie litowo-jonowe są ciężkie. Kobalt i lit to rzadkie, wrażliwe geopolitycznie i drogie zasoby. Są również wysoce łatwopalne. Sód jest wszędzie. W ziemi jest go dosłownie więcej niż złota.
SMB wykorzystuje metaliczną anodę sodową. W przeciwieństwie do standardowych akumulatorów sodowo-jonowych wykorzystujących grafit, metalowa anoda jest lżejsza. Dużo łatwiej. Jony są również nieporęczne. Nie mogą gromadzić się w miejscu uszkodzenia tak szybko, aby wywołać niekontrolowaną reakcję termiczną. Jeśli bateria zostanie przebita, po prostu przestanie działać. Nie staje w płomieniach.
Samochody elektryczne bardzo tego potrzebują.
Obecnym królem prędkości jest BYD Denza. Ładuje się od 10 do 70% w ciągu pięciu minut. Pięć. Wymaga to jednak wyspecjalizowanych stacji ładowania o mocy 1 MW, które nie są dostępne w Twojej okolicy. Model Tesli 3? Piętnaście minut przy ładowaniu 250 kW. Dziewięćdziesiąt minut na standardowej stacji o mocy 50 kW. Większość kierowców nie chce czekać półtorej godziny.
Jeśli małe i średnie firmy będą działać zgodnie z obietnicami, ich zasięg może być niższy niż w przypadku ich odpowiedników litowo-jonowych. Ale czas ładowania zostanie skrócony z godziny do przerwy na kawę.
Transport publiczny? Idealne rozwiązanie. Samochody miejskie? Dobra opcja. Siedzą bezczynnie w zajezdni i ładują, podczas gdy kierowcy śpią lub odpoczywają. Aby podróżować po kraju, nie potrzeba im dużego zasięgu. Potrzebują niezawodności i szybkości.
Ale nie należy się spodziewać w najbliższym czasie smartfonów opartych na małych i średnich przedsiębiorstwach.
Telefony się nagrzewają. Ochładzają się. Elektrolity żelowe nie znoszą zmian temperatury. Chemia się zmienia. Produktywność spada. Naukowcy to potwierdzają. Konieczne są powtarzane eksperymenty. Potrzebujemy dostępu do masowej produkcji. Musisz przetrwać trudną rzeczywistość, gdy zimą telefon wpadnie do kieszeni kurtki.
Czysty metaliczny sód jest substancją niebezpieczną. Zastąpienie dobrze zbadanych anod grafitowych, których obecnie używamy, to duży krok naprzód. Bardzo duży.
Przed nami długa dekada.
Rewolucja akumulatorowa może nie nastąpić poprzez stworzenie idealnego magazynu energii. Być może stanie się to poprzez chęć pogodzenia się z mniejszymi kosztami. Pod warunkiem, że ładuje się wystarczająco szybko.
Jaki jest Twój limit cierpliwości? Pięć minut.
