Nadchodzą lżejsze, tańsze akumulatory litowe o większej gęstości
Unijna inicjatywa może doprowadzić do opracowania akumulatorów zdolnych do przechowywania większej ilości energii na jednostkę masy i objętości poprzez długotrwałe dążenia do wykorzystania czystego metalu litowego w anodzie akumulatora. Projekt jest częścią przyszłościowej koncepcji opracowania bezpiecznych akumulatorów półprzewodnikowych eliminujących konieczność stosowania ciekłego elektrolitu pomiędzy dwiema elektrodami akumulatora.
Dlaczego obiecujące alternatywy dla akumulatorów litowo-jonowych są tak ważne
Akumulatory litowo-jonowe dosłownie zapoczątkowały rozwój przenośnej elektroniki, ale lista ich praktycznych zastosowań wykracza poza zasilanie smartfonów czy tabletów do obsługi aplikacji mobilnych. Pojazdy elektryczne, magazynowanie energii w sieci, systemy podtrzymywania zasilania – to tylko kilka przykładów, w których wykorzystuje się tę technologię akumulatorową. To rosnące zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe sprawiło, że na placu boju pojawiła się globalna konkurencja. Ale jak na tle tej konkurencji wypada Europa? „Wydaje się, że Europa przegrała bitwę o produkcję konwencjonalnych ogniw litowo-jonowych z azjatyckimi gigantami. Rozpoczęliśmy finansowany ze środków UE projekt IMAGE, aby przywrócić i poszerzyć wiedzę techniczną w tej dziedzinie, tak aby europejski przemysł akumulatorowy zyskał przewagę nad konkurencją”, mówi Kohs Wolfram, koordynator projektu i inżynier ds. rozwoju w firmie AVL List GmbH. Skupiając partnerów ze środowiska przemysłowego i akademickiego, zespół projektu IMAGE pracował nad stworzeniem dobrze udokumentowanego planu działania w zakresie produkcji opłacalnych i konkurencyjnych ogniw akumulatorowych. Badania nie ograniczały się wyłącznie do akumulatorów litowo-jonowych, ale obejmowały też bardziej zaawansowane i obiecujące alternatywy litowe.
Akumulatory litowo-jonowe a litowo-metalowe
Poszukiwanie alternatywnych rozwiązań dla akumulatorów litowo-jonowych jest istotne w zastosowaniach, w których technologia ta osiągnęła swoje granice. „Dotyczy to zwłaszcza mobilności elektrycznej, którą w dużej mierze warunkuje zapotrzebowanie na niedrogie akumulatory litowo-jonowe o większej zawartości energii”, zauważa Wolfram. „Akumulatory litowo-metalowe są obiecującą alternatywą dla pojazdów elektrycznych, w przypadku których duże znaczenie mają duży zasięg oraz niska waga i objętość”. Akumulator litowo-metalowy może przewyższyć konwencjonalną technologię litowo-jonową, mogąc pomieścić około dwa razy więcej energii elektrycznej na kilogram. Zawdzięcza to zastąpieniu materiału anody (zwykle grafitu) cienkim arkuszem litu, który jest lżejszy. Możliwość magazynowania znacznie większej ilości energii przy mniejszej masie wydłuża zasięg pojazdów elektrycznych.
Ulepszone materiały elektrolitu i katody
Kolejnym elementem, który może pomóc w uzyskaniu doskonałej wydajności akumulatorów, jest zastosowanie nowego elektrolitu żelowo-polimerowego, który poddano intensywnym testom i ulepszeniom w kilku pętlach. Elektrolit umożliwia jonom litu przemieszczanie się tam i z powrotem podczas cykli ładowania i rozładowywania akumulatora, a wersja żelowo-polimerowa może sprawdzić się lepiej od tradycyjnych elektrolitów ciekłych. Do produkcji katody członkowie projektu wykorzystali również mieszankę niklu, kobaltu i manganu, którą zoptymalizowano tak, aby można ją było stosować z wodnymi substancjami wiążącymi zamiast organicznych.
Tworzenie podstaw dla zaawansowanych technologii akumulatorów litowych
W przeszłości firma AVL List była zaangażowana w inny projekt, testując różne kombinacje materiałów do produkcji anod, katod i elektrolitów w ramach starań o stworzenie silnego i konkurencyjnego europejskiego przemysłu akumulatorowego. „W ramach projektu IMAGE eksperymentowaliśmy z nowymi materiałami do produkcji akumulatorów i zbudowaliśmy nowy typ ogniwa. Zastosowane materiały były tańsze i wiązały się z mniej energochłonnymi procesami podczas ich produkcji. Co ważne, wyeliminowaliśmy konieczność stosowania rozpuszczalników organicznych, co pozwala zwiększyć bezpieczeństwo akumulatorów”, zauważa Wolfram. Proces syntezy elektrolitu polimerowo-żelowego jest obiecujący w kontekście wytwarzania stabilnych i przewodzących interfejsów elektrolitowych. Ponadto rozwiązanie trudnych kwestii projektowych związanych z integracją mechaniczną i kontrolą temperatury ogniw stanowi solidną podstawę dla kolejnych projektów. „Połączenie cienkiego arkusza elektrody z elektrolitem żelowo-polimerowym oferuje tanią, skalowalną alternatywę dla akumulatorów litowo-jonowych, oznaczając krok naprzód w dziedzinie akumulatorów półprzewodnikowych. Poszerzenie naszej wiedzy eksperckiej i możliwości produkcyjnych w zakresie tego typu akumulatorów mogłoby pomóc Europie w konkurowaniu z jej gigantycznymi azjatyckimi odpowiednikami”, podsumowuje Wolfram.
Słowa kluczowe
IMAGE, akumulatory litowo-jonowe, litowo-metalowe, elektrolit żelowo-polimerowy, akumulatory półprzewodnikowe, pojazdy elektryczne, AVL List GmbH
