Czy samonaprawiające się akumulatory mogą być przyszłością e-mobilności?
Główną zaletą akumulatorów litowo-metalowych jest to, że zapewniają bardzo wysoką gęstość energii. To czyni je niezwykle atrakcyjnymi dla pojazdów elektrycznych i innych zastosowań dotyczących e-mobilności, w których przesyłanie energii na duże odległości ma kluczowe znaczenie. „Jednym z wyzwań, jeśli chodzi o akumulatory, jest ich stosunkowo krótka żywotność”, zauważa koordynatorka projektu HIDDEN Marja Vilkman z VTT Technical Research Centre w Finlandii. „Wynika to po części z faktu, że granica faz między metaliczną anodą litową a elektrolitem jest niestabilna”. Vilkman wyjaśnia, że bez interwencji metaliczne pasma litu – zwane dendrytami – zaczną „wyrastać” z anody w trakcie cykli ładowania i rozładowywania. Ostatecznie prowadzi to do zwarcia.
Opracowywanie nowego samonaprawiającego się elektrolitu
Finansowany przez UE projekt HIDDEN miał na celu opracowanie metod samonaprawy, aby zapobiec wzrostowi dendrytów. „Chcieliśmy stworzyć metodę wykorzystującą nowy ciekłokrystaliczny elektrolit”, mówi Vilkman. „Pomyśleliśmy, że może to pozwolić zarówno spowolnić wzrost dendrytów, jak i potencjalnie nawet rozbić utworzone dendryty i naprawić akumulator na żądanie”. Zespół chciał również opracować samonaprawiający się separator o właściwościach piezoelektrycznych (tj. posiadający zdolność do generowania ładunku elektrycznego). Może to doprowadzić do autonomicznego spowolnienia wzrostu dendrytów, bez potrzeby zewnętrznej interwencji. „Zaczęliśmy od syntezy nowego samonaprawiającego się elektrolitu, wykorzystując modelowanie do optymalizacji struktury molekularnej”, wyjaśnia Vilkman. „Materiał ten był testowany głównie w małych ogniwach akumulatorowych. W przypadku samonaprawiającego się separatora wykorzystaliśmy dostępny na rynku materiał i opracowaliśmy proces wytwarzania z niego porowatego separatora”. Procesy te zostały rozwinięte do poziomu pilotażowego. Wszystkie materiały poddano rygorystycznym testom i przeanalizowano ich zdolność do samonaprawy.
Zwiększona żywotność ogniw akumulatorowych
Zespół był w stanie udowodnić w małych komórkach testowych prawidłowe działanie pierwotnej koncepcji zapobiegania wzrostowi dendrytów. Przy pomocy tego protokołu udało się nawet zregenerować zwarte ogniwo. „Wykazaliśmy też, że możliwe jest zwiększenie żywotności ogniw poprzez zastosowanie samonaprawiających się separatorów”, dodaje Vilkman. Te rezultaty badawcze mogą otworzyć drzwi do wytwarzania akumulatorów litowo-metalowych o wysokiej gęstości energii i długim czasie życia. Możliwości są ogromne – od akumulatorów do pojazdów elektrycznych po elektronikę ubieralną i lotnictwo. „Projekt pomógł również w rozpropagowaniu roli akumulatorów wśród szerszego grona odbiorców”, mówi Vilkman. „Jako że nie sposób zrealizować europejskich celów w zakresie neutralności węglowej bez przyjęcia pojazdów elektrycznych i akumulatorów przez obywateli, sądzę, że można to uznać za ważny pozytywny aspekt projektu”.
Pionierskie badania nad samonaprawiającymi się akumulatorami
W perspektywie krótkoterminowej projekt pomógł zbudować szerszą społeczność badawczą zajmującą się samonaprawiającymi się akumulatorami. „Dla mnie osobiście było to ważne osiągnięcie”, dodaje Vilkman. „Udało nam się przeszkolić i przyciągnąć do pracy w tej dziedzinie więcej osób, co ma kluczowe znaczenie dla przemysłu”. Ponieważ badania są wciąż w powijakach, Vilkman zauważa, że potrzeba więcej pracy, aby rozszerzyć koncepcję na praktyczne komórki ogniwa o stałej jakości. „Nadal chcemy publikować dalsze wyniki”, mówi. „Liczymy, że albo nam, albo jakiej innej organizacji uda się wykorzystać zgromadzoną wiedzę do dalszego rozwoju tej technologii. Obecnie szukamy źródeł finansowania, które pozwolą kontynuować te prace”.
Słowa kluczowe
HIDDEN, akumulatory, e-mobilność, elektryczne, lit, dendryty, elektrolit
