Napraw to imię: Maria Helena Braga. Za tą tak typowo portugalską nazwą kryje się naukowiec z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu w Porto, który dzięki swojej pracy mógł przyczynić się do ostatecznego postępu technologii akumulatorów litowo-jonowych.
Jego wkład dotyczy odkrycia szkła elektrolitowego i może dać początek nowej generacji akumulatorów – półprzewodnikowych – które będą bezpieczniejsze, bardziej ekologiczne, przystępne cenowo i mogą mieć nawet 3 razy większą pojemność. Aby zrozumieć, dlaczego cały ten entuzjazm, dobrze jest wiedzieć o bateriach litowo-jonowych (Li-ion).
Najczęściej spotykane są dziś akumulatory litowo-jonowe. Mają wiele zalet w porównaniu z innymi typami baterii, ale mają też swoje ograniczenia.
Możemy je znaleźć na smartfonach, pojazdach elektrycznych i innych urządzeniach elektronicznych. Aby dostarczyć niezbędną energię, używają ciekłego elektrolitu do transportu jonów litu między anodą (strona ujemna akumulatora) a katodą (strona dodatnia).
Ten płyn jest sednem sprawy. Szybkie ładowanie lub rozładowywanie akumulatorów litowych może prowadzić do powstawania dendrytów, które są włóknami litowymi (przewodnikami). Włókna te mogą powodować wewnętrzne zwarcia, które mogą powodować pożary, a nawet wybuchy.
Odkrycie Marii Heleny Braga
Zastąpienie elektrolitu płynnego elektrolitem stałym zapobiega tworzeniu się dendrytów. To właśnie stały elektrolit, który Maria Helena Braga odkryła wraz z Jorge Ferreirą, kiedy pracowali w Narodowym Laboratorium Energii i Geologii.
Innowacja polega na zastosowaniu stałego elektrolitu szklanego, co pozwala na zastosowanie anody wbudowanej w metale alkaliczne (lit, ciało stałe lub potas). Coś, co do tej pory nie było możliwe. Zastosowanie elektrolitu szklistego otworzyło świat możliwości, takich jak zwiększenie gęstości energii katody i wydłużenie cyklu życia baterii.
Odkrycie zostało opublikowane w artykule w 2014 roku i przykuło uwagę społeczności naukowej. Społeczność obejmująca Johna Goodenougha, „ojca” dzisiejszej baterii litowej. To było 37 lat temu, kiedy współtworzył postęp technologiczny, który pozwolił, aby akumulatory litowo-jonowe stały się opłacalne. 94-latek, profesor Uniwersytetu Teksańskiego, nie mógł powstrzymać entuzjazmu dla odkrycia portugalskiego badacza.
Maria Helena Braga niedługo pojechała do Stanów Zjednoczonych, aby zademonstrować Johnowi Goodenough, że jej szklisty elektrolit może przewodzić jony z taką samą prędkością jak płynny elektrolit. Od tego czasu obaj współpracowali w zakresie badań i rozwoju akumulatorów półprzewodnikowych. Ta współpraca zaowocowała już nową wersją elektrolitu.
Interwencja Goodenough we współpracy i rozwoju baterii półprzewodnikowej odegrała kluczową rolę w nadawaniu niezbędnej wiarygodności temu odkryciu.
Zalety baterii półprzewodnikowej
Zalety są obiecujące:- wzrost napięcia, który pozwoli na większą gęstość energii przy tej samej objętości - pozwala na bardziej kompaktową baterię
- umożliwia szybkie ładowanie bez produkcji dendrytów – ponad 1200 cykli
- więcej cykli ładowania/rozładowania, które pozwalają na dłuższą żywotność baterii
- pozwala na pracę w szerszym zakresie temperatur bez degradacji – pierwsze baterie mogą pracować w temperaturze -60º Celsjusza
- potencjalnie niższy koszt dzięki zastosowaniu materiałów takich jak sód zamiast litu
Kolejną wielką zaletą jest to, że ogniwa można budować z materiałów przyjaznych dla środowiska, takich jak wspomniany sód, który można pozyskać z wody morskiej. I nawet ich recykling nie stanowi problemu. Jedynym minusem, jeśli można to tak nazwać, jest to, że montaż tych stałych akumulatorów wymaga suchego i najlepiej beztlenowego środowiska.
NIE MOŻNA PRZEGAP: „Korytarzy elektrycznych” na wzmocnionych drogach krajowych
Maria Helena Braga mówi, że istnieją już baterie półprzewodnikowe: pastylkowe lub guzikowe, baterie wielkości monet, które są używane na przykład w niektórych zegarkach. W laboratorium przetestowano również baterie o innych wymiarach.
Kiedy pojawi się ten rodzaj akumulatora w samochodzie?
Według Marii Heleny Bragi będzie to teraz zależało od branży. Ten badacz i Goodenough udowodnili już słuszność tej koncepcji. Rozwój będą musieli zrobić inni. Innymi słowy, to nie będzie jutro ani w przyszłym roku.
Przejście od tych postępów laboratoryjnych do produktów komercyjnych jest poważnym wyzwaniem. Może minąć kolejne 15 lat, zanim zobaczymy ten nowy typ akumulatora w pojazdach elektrycznych.
Zasadniczo konieczne jest znalezienie skalowalnych i opłacalnych procesów przemysłowych, które umożliwią industrializację i komercjalizację tego nowego typu baterii. Kolejny powód jest związany z dużymi inwestycjami już poczynionymi w rozwój baterii litowych przez najbardziej zróżnicowane podmioty. Najpopularniejszym przykładem będzie Gigafactory Tesli.
Innymi słowy, w ciągu najbliższych 10 lat powinniśmy nadal obserwować ewolucję baterii litowych. Oczekuje się, że ich gęstość energii wzrośnie o około 50%, a ich koszt spadnie o 50%. Nie należy spodziewać się szybkiego przejścia w przemyśle motoryzacyjnym na akumulatory półprzewodnikowe.
Inwestycje skierowane są również na inne typy akumulatorów, o różnych reakcjach chemicznych, które mogą osiągnąć nawet 20-krotnie większą gęstość energii niż obecny akumulator litowo-jonowy. Nie tylko jest lepszy od trzykrotnie wyższych osiąganych przez akumulatory stałe, ale według niektórych może trafić na rynek wcześniej.
Zresztą przyszły scenariusz dla pojazdu elektrycznego wygląda obiecująco. Ten rodzaj postępu powinien ostatecznie umożliwić osiągnięcie poziomów konkurencyjności równoważnych pojazdom z silnikami spalinowymi. Mimo to, przy tych wszystkich postępach, takich jak odkrycie Marii Heleny Bragi, może minąć kolejne 50 lat, zanim pojazdy elektryczne osiągną 70-80% udziału w światowym rynku.