Labojiet šo vārdu: Marija Helēna Braga. Aiz šī tik tipiskā portugāļu nosaukuma mēs atrodam pētnieci no Porto Universitātes Inženieru fakultātes, kura, pateicoties savam darbam, iespējams, ir veicinājusi litija jonu akumulatoru tehnoloģijas galīgo attīstību.
Viņa ieguldījums ir saistīts ar elektrolīta stikla atklāšanu, un tas varētu radīt jaunas paaudzes akumulatorus — cietvielu, kas būs drošāki, ekoloģiskāki, pieejamāki un ar līdz pat 3 reizēm lielākas ietilpības. Lai saprastu, kāpēc šis entuziasms, ir laba ideja uzzināt par litija jonu (Li-ion) akumulatoriem.
Mūsdienās visizplatītākie ir litija jonu akumulatori. Viņiem ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar citiem akumulatoru veidiem, taču tiem ir arī savi ierobežojumi.
Mēs varam tos atrast viedtālruņos, elektriskajos transportlīdzekļos un citās elektroniskās ierīcēs. Lai nodrošinātu nepieciešamo enerģiju, tie izmanto šķidru elektrolītu, lai transportētu litija jonus starp anodu (akumulatora negatīvo pusi) un katodu (pozitīvo pusi).
Šis šķidrums ir lietas pamatā. Litija bateriju ātra uzlāde vai izlāde var izraisīt dendrītu veidošanos, kas ir litija pavedieni (vadītāji). Šie pavedieni var izraisīt iekšējus īssavienojumus, kas var izraisīt ugunsgrēkus un pat sprādzienus.
Marijas Helēnas Bragas atklājums
Šķidrā elektrolīta aizstāšana ar cietu elektrolītu novērš dendrītu veidošanos. Tieši cietu elektrolītu Marija Helēna Braga atklāja kopā ar Horhe Fereiru, kad viņi strādāja Nacionālajā enerģētikas un ģeoloģijas laboratorijā.
Inovācija ietver cieta stikla elektrolīta izmantošanu, kas ļauj izmantot anodu, kas iebūvēts sārmu metālos (litijs, ciets vai kālijs). Kaut kas līdz šim nebija iespējams. Stiklveida elektrolīta izmantošana ir pavērusi iespēju pasauli, piemēram, palielinot katoda enerģijas blīvumu un pagarinot akumulatora darbības ciklu.
Atklājums tika publicēts rakstā 2014. gadā un piesaistīja zinātnieku aprindu uzmanību. Kopiena, kurā ietilpst Džons Gudenafs, mūsdienu litija akumulatora “tēvs”. Tas bija pirms 37 gadiem, kad viņš kopīgi izgudroja tehnoloģisko progresu, kas ļāva litija jonu akumulatoriem kļūt komerciāli dzīvotspējīgiem. Teksasas universitātes profesors, 94 gadus vecais vīrietis nespēja savaldīt savu entuziasmu par portugāļu pētnieka atklājumu.
Nepagāja ilgs laiks, kad Marija Helēna Braga devās uz ASV, lai demonstrētu Džonam Gudenam, ka viņas stiklveida elektrolīts spēj vadīt jonus ar tādu pašu ātrumu kā šķidrs elektrolīts. Kopš tā laika abi ir sadarbojušies cietvielu akumulatoru izpētē un attīstībā. Šī sadarbība jau ir radījusi jaunu elektrolīta versiju.
Goodenough iejaukšanās cietvielu akumulatora sadarbībā un attīstībā ir palīdzējusi šim atklājumam nodrošināt nepieciešamo uzticamību.
Cietvielu akumulatora priekšrocības
Priekšrocības ir daudzsološas:- sprieguma pieaugums, kas ļaus palielināt enerģijas blīvumu tādam pašam tilpumam - ļauj iegūt kompaktāku akumulatoru
- ļauj ātri ielādēt bez dendrīta ražošanas – vairāk nekā 1200 ciklu
- vairāk uzlādes/izlādes ciklu, kas nodrošina ilgāku akumulatora darbības laiku
- ļauj darboties plašākā temperatūras diapazonā bez degradācijas – pirmās baterijas, kas spēj darboties pie -60ºC
- potenciāli zemākas izmaksas, jo litija vietā tiek izmantoti tādi materiāli kā nātrijs
Vēl viena no lielajām priekšrocībām ir tā, ka šūnas var būvēt ar videi draudzīgiem materiāliem, piemēram, iepriekšminēto nātriju, ko var iegūt no jūras ūdens. Un pat to pārstrādājamība nav problēma. Vienīgais mīnuss, ja to tā var nosaukt, ir tas, ka šo cieto akumulatoru uzstādīšanai ir nepieciešama sausa un vēlams bezskābekļa vide.
NEPAREDZĒT: "Elektriskie koridori" uz pastiprinātām valsts maģistrālēm
Marija Helēna Braga stāsta, ka jau ir cietvielu baterijas: monētu vai pogu elementi, monētas izmēra baterijas, kuras tiek izmantotas, piemēram, dažos pulksteņos. Laboratorijā pārbaudītas arī citu izmēru baterijas.
Kad šāda veida akumulators tiks ievietots automašīnā?
Pēc Marijas Helēnas Bragas teiktā, tas tagad būs atkarīgs no nozares. Šis pētnieks un Goodenough jau ir pierādījuši koncepcijas pamatotību. Attīstība būs jāveic citiem. Citiem vārdiem sakot, tas nebūs rīt vai nākamgad.
Pāreja no šiem laboratorijas sasniegumiem uz komerciāliem produktiem ir ievērojams izaicinājums. Var paiet vēl 15 gadi, līdz mēs redzēsim, ka šis jaunais akumulatoru veids tiek piemērots elektriskajiem transportlīdzekļiem.
Būtībā ir jāatrod mērogojami un rentabli rūpnieciskie procesi, kas ļauj industrializēt un komercializēt šī jaunā tipa baterijas. Vēl viens iemesls ir saistīts ar lielajām investīcijām, ko litija akumulatoru attīstībā jau veikuši visdažādākie uzņēmumi. Populārākais piemērs būs Teslas Gigafactory.
Citiem vārdiem sakot, nākamo 10 gadu laikā mums vajadzētu turpināt redzēt litija bateriju attīstību. Paredzams, ka to enerģijas blīvums pieaugs par aptuveni 50%, un to izmaksas samazināsies par 50%. Nav sagaidāma strauja pāreja automobiļu rūpniecībā uz cietvielu akumulatoriem.
Investīcijas tiek virzītas arī uz cita veida akumulatoriem ar dažādām ķīmiskām reakcijām, kas var sasniegt līdz pat 20 reizēm lielāku enerģijas blīvumu nekā pašreizējais litija jonu akumulators. Tas ne tikai ir pārāks par trīsreiz vairāk, ko nodrošina cietie akumulatori, bet, pēc dažu domām, tas varētu nonākt tirgū pirms šiem.
Jebkurā gadījumā nākotnes scenārijs elektriskajam transportlīdzeklim izskatās daudzsološs. Šāda veida attīstībai beidzot būtu jānodrošina konkurētspējas līmenis, kas līdzvērtīgs transportlīdzekļiem ar iekšdedzes dzinējiem. Tomēr ar visiem šiem sasniegumiem, piemēram, Marijas Helēnas Bragas atklājumu, var paiet vēl 50 gadi, lai elektriskie transportlīdzekļi sasniegtu 70–80% pasaules tirgus.