Niezależne źródła energii są kluczowe dla naszych, coraz bardziej połączonych społeczeństw. Zasilają nasze sieci komunikacyjne i transportowe. W ciągu 200 lat od wynalezienia baterii przeszła ona znaczną ewolucję ku nowoczesnym zastosowaniom. Wraz z przejściem na energię odnawialną na horyzoncie rysuje się nowa era elektryfikacji, wspierana w dużej mierze przez przełomowe projekty akumulatorów, które zdaniem naukowców z Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) są na wyciągnięcie ręki.
Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) zyskały popularność jako lżejsza i mocniejsza alternatywa dla konstrukcji kwasowo-ołowiowych lub niklowo-wodorkowych. Baterie te pozwalają użytkownikom kontrolować przepływ energii w celu powtarzalnego, szybkiego ładowania i rozładowywania, zasilając prawie wszystko, od telefonów komórkowych po laptopy, pojazdy elektryczne (EV) i wielkogabarytowe stacjonarne magazyny danych. Trwające w NREL badania kontynuują udoskonalanie akumulatorów litowo-jonowych mających sprostać unikalnym potrzebom różnych zastosowań.
Jaka przyszłość czeka akumulatory?
W przejściu do bardziej zelektryfikowanego społeczeństwa baterie będą odgrywać zasadniczą rolę jako magazyny energii ze źródeł odnawialnych. Powstające technologie akumulatorów muszą koncentrować się na obniżaniu kosztów przy jednoczesnym zachowaniu żywotności i gęstości mocy. Korzystając z ultranowoczesnych możliwości i światowej klasy obiektów laboratoryjnych, badacze NREL zajmujący się magazynowaniem energii nadal przesuwają granice możliwości akumulatorów dzięki opracowywaniu i stosowaniu nowych materiałów, zarządzaniu temperaturą, diagnostyce i modelowaniu.
Badania materiałów do produkcji akumulatorów litowo-jonowych i nie tylko
Pierwszy poziom innowacji ma miejsce w syntezie materiałów akumulatorowych, to jest na etapie, na którym następuje opracowywanie lub udoskonalanie materiałów do nowych projektów. Wszystkie akumulatory mają elektrodę dodatnią (katodę) i elektrodę ujemną (anodę), umiejscowione oddzielnie w elektrolicie. Gdy elektrony przemieszczają się od anody do katody, generują prąd elektryczny i dostarczają energię elektryczną. Przełomowe ulepszenia materiałów w całej architekturze baterii mogą odblokować lepszą wydajność, stabilność, a także poprawę w zakresie zrównoważonego rozwoju. Jednak wprowadzenie nowych materiałów, takich jak krzem i siarka, może również wywołać nowe reakcje chemiczne i mechaniczne czynniki stresogenne.
Odblokowanie anod krzemowych zwiększa gęstość energii
Krzem może posłużyć do kolejnych dużych ulepszeń materiałów baterii. Ponieważ pojazdy elektryczne nadal zyskują na popularności, naukowcy zidentyfikowali krzem jako obiecujący komponent do zwiększenia gęstości energii akumulatorów samochodowych. Niedawne badania przeprowadzone przez NREL-led Silicon Consortium Project (SCP) wykazały, że zastąpienie grafitu, zwykle stosowanego w anodach akumulatorów litowo-jonowych, krzemem może utorować drogę do zmniejszenia rozmiaru akumulatorów o 25 do 30% i zwiększenia zasięgu pojazdów o 30 do 40%. Anody na bazie krzemu stanowią wyjątkowe wyzwanie dla stabilności i żywotności akumulatorów litowo-jonowych. Litowanie, które występuje podczas ładowania akumulatora, prowadzi do pęcznienia i ściskania krzemu, powodując pęknięcia i uszkodzenia akumulatora. Dodatkowo reakcja między krzemem a ciekłym elektrolitem prowadzi do powstania materiału znanego jakointerfejs stałego elektrolitu – SEI (ang. silicon electrolyte interface), który powoduje rozkład elektrolitu w akumulatorze.
Przyszłe projekty mają na celu zrównoważony rozwój oraz wykorzystywanie dostępnych materiałów
Zrównoważony rozwój to kolejny pierwszoplanowy problem dla badaczy NREL. W związku z tym zespoły badawcze traktują priorytetowo projekty materiałów i produktów, które ograniczają użycie rzadkich materiałów krytycznych, takich jak kobalt, obecnie stosowanych w akumulatorach litowo-jonowych. Niedawne badania NREL wykazały, że akumulatory litowo-tytanianowe i litowo-manganowo-tlenkowe są obiecującymi opcjami pozbawionymi materiałów krytycznych. Naukowcy z laboratorium patrzą poza lit, na nowe lub pojawiające się pomysły technologiczne, takie jak przepływ redoks, akumulatory wodne, sodowe lub magnezowe. Jednym z zachęcających obszarów badań jest zastąpienie ciekłego elektrolitu elementem półprzewodnikowym. Baterie półprzewodnikowe mogą oferować lepszą stabilność i pojemność energetyczną w porównaniu z tradycyjnymi technologiami baterii.
Kierowanie innowacjami od materiałów po projekty na poziomie systemu
Możliwości ulepszeń akumulatorów są nieograniczone: od składu chemicznego po ogólne struktury akumulatorów. W celu lepszego zrozumienia fizycznych, chemicznych, mechanicznych i strukturalnych właściwości materiałów energetycznych oraz systemów magazynowania niezbędne są narzędzia do eksperymentowania, modelowania i analizy. W przypadku nowych materiałów oceny te mogą usprawnić postępy w architekturze baterii – katody, anody lub elektrolitu.
Dekodowanie sygnałów termicznych w celu poprawy wydajności baterii
Jednym z najważniejszych aspektów badań nad wydajnością baterii jest zarządzanie temperaturą. Chociaż wyższe temperatury baterii mogą poprawić przewodnictwo jonowe i pojemność energetyczną ogniwa, równowaga jest kluczowa. Wyższe temperatury mogą przyspieszyć reakcje chemiczne, prowadząc do degradacji lub starzenia się ogniw, co ogranicza żywotność baterii. Niższe temperatury mogą ograniczać gęstość energii i wydajność baterii. Ponadto zarządzanie temperaturą ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa baterii. W niektórych przypadkach przegrzanie i nadmierne ciśnienie w ogniwie może spowodować ucieczkę termiczną, czyli ekstremalne wydzielanie ciepła z okazjonalnymi katastrofalnymi skutkami.
Podsumowując
Następna generacja akumulatorów wygląda obiecująco. Badania laboratoryjne koncentrują się nie tylko na ulepszaniu preferowanych w branży akumulatorów litowo-jonowych, ale jednocześnie nadal badają nowe możliwości w zakresie materiałowym i konstrukcyjnym akumulatorów. Do tego portfolio akumulatorów NREL obejmuje nowatorskie badania mające na celu zwiększenie żywotności materiałów akumulatorowych poprzez ponowne użycie i recykling. Badania te wspierają rozwój gospodarki o obiegu zamkniętym dla podstawowych materiałów akumulatorowych i poprawiają ogólny zrównoważony rozwój technologii akumulatorowych.
Oprac. M. Grabania
Źródło: NREL Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
