Za 10 lat baterie stałe z krzemianów skalnych mogą stać się ekologiczną, wydajniejszą i bezpieczniejszą alternatywą dla obecnych baterii litowo-jonowych. Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Danii (DTU) opracowali nowy superjonowy materiał na bazie krzemianu potasu – minerału, który można otrzymać z pospolitych skał.
W DTU badacz Mohamad Khoshkalam wynalazł materiał, który może zastąpić lit w bateriach przyszłości: są to baterie stałe na bazie krzemianów potasu i sodu. Krzemiany skalne to jedne
z najpowszechniejszych minerałów występujących w skorupie ziemskiej. Nowy materiał ma wielką zaletę: nie jest wrażliwy na powietrze i wilgoć. Dzięki temu można go uformować w cienką, jak papier, warstwę wewnątrz baterii.
Budowa superbaterii
Pojedyncza cela baterii może być tak cienka jak kawałek tektury, gdzie anoda, katoda i stały elektrolit to ultracienkie warstwy materiału. To oznacza, że można produkować mocniejsze baterie, które zajmą mniej miejsca. Dzięki temu można będzie przejechać nawet do 1000 km na jednym 10-minutowym ładowaniu. Dodatkowo, bateria stała jest bardziej ognioodporna, ponieważ nie zawiera łatwopalnej cieczy.
Potencjał mlecznobiałego, cienkiego jak papier materiału na bazie krzemianu potasu jest ogromny. To niedrogi, ekologiczny materiał, który można pozyskać z krzemianów pokrywających ponad 90% powierzchni Ziemi. Materiał potrafi transportować jony w temperaturze około 40°C i nie jest wrażliwy na wilgoć. Dzięki temu skalowanie i produkcja baterii będą łatwiejsze, bezpieczniejsze i tańsze, ponieważ mogą odbywać się w otwartej atmosferze i w temperaturach bliskich temperaturze pokojowej. Co więcej, materiał działa bez dodatku drogich i szkodliwych dla środowiska metali, takich jak kobalt, który obecnie stosuje się w bateriach litowo-jonowych, aby zwiększyć ich pojemność i żywotność.
Kluczowa rola elektrolitu
Elektrolit w akumulatorze może być cieczą, żelem lub materiałem stałym. Elektrolit pozwala jonom przemieszczać się między anodą a katodą akumulatora w obu kierunkach powodując rozładowywanie i ładowanie akumulatora. Elektrolit ma kluczowe znaczenie dla pojemności akumulatora, czasu ładowania, żywotności i bezpieczeństwa jego użytkowania.
Przewodność elektrolitu zależy od tego, jak szybko jony mogą się w nim poruszać. Jony
w krzemianach skalnych zazwyczaj poruszają się wolniej niż w ciekłych elektrolitach litowych czy stałych, ponieważ są większe i cięższe. Mohamad Khoshkalam znalazł sposób na stworzenie superjonowego materiału z krzemianu potasu, dzięki któremu jony poruszają się szybciej niż
w elektrolitach litowych.
Pokonywanie wyzwań
Po pierwsze, badania nad materiałami i bateriami są złożone oraz czasochłonne, ponieważ materiały są superczułe i wymagają zaawansowanych laboratoriów i sprzętu. Po drugie, konieczne jest opracowanie nowych metod produkcji i uszczelniania baterii, aby ultracienkie warstwy materiału w ogniwie baterii nie pękały i miały ciągły kontakt, zapewniający działanie. W laboratorium problem ten rozwiązuje się poprzez dociskanie warstw ogniwa baterii do siebie pod wysokim ciśnieniem, jednak przeniesienie tego rozwiązania do komercyjnych akumulatorów np. samochodów elektrycznych, składających się z wielu ogniw, stanowi wyzwanie.
Badacze wykazali, że można znaleźć materiał na stały elektrolit, który jest tani, wydajny, przyjazny dla środowiska i skalowalny. Rok po swoim odkryciu w laboratorium DTU, Mohamad Khoshkalam uzyskał patent na recepturę i jest w trakcie zakładania start-upu o nazwie K-Ion, który będzie opracowywać stałe komponenty elektrolityczne dla firm produkujących baterie.
Następnym krokiem dla Mohamada Khoshkalama i jego zespołu jest opracowanie baterii demonstracyjnej, która pokaże firmom i inwestorom, że materiał działa. Prototyp powinien być gotowy w ciągu 1-2 lat.
Na zdjęciu ogniwo baterii ze stałym elektrolitem. Fot. Frida Gregersen
Oprac: Mirosław Grabania
Źródło: Uniwersytet Techniczny w Danii
