Można podwoić zasięg aut elektrycznych. Naukowcy znaleźli proste rozwiązanie

Akumulatory litowo-metalowe są obiecującą alternatywą dla litowo-jonowych, ale szybko ulegają degradacji i ich cykl życia jest krótki. Naukowcy z Uniwersytetu Stanforda już wiedzą, jak sobie z tym poradzić. Może to odmienić przemysł motoryzacyjny.

Publikacja: 09.02.2024 14:19

Auta elektryczne mają coraz większy zasięg. Przełomem mogą być akumulatory litowo-metalowe

Auta elektryczne mają coraz większy zasięg. Przełomem mogą być akumulatory litowo-metalowe

Foto: Ładowanie samochodu

Zespół amerykańskich naukowców znalazł prosty sposób na wydłużenie żywotności baterii litowo-metalowych. Trzeba je rozładować całkowicie, a następnie dać im odpocząć przez kilka godzin. - Szukaliśmy najłatwiejszego, najtańszego i najszybszego sposobu na poprawę żywotności obiegu litowo-metalowego - mówi Wenbo Zhang, doktorant w dziedzinie materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda w USA i współautor artykułu w „Nature”. - Odkryliśmy, że dzięki pozostawieniu akumulatora w stanie rozładowanym można odzyskać utraconą pojemność i wydłużyć cykl życia.

Czas akumulatory litowo-metalowe

Zdaniem Zhanga ulepszenie akumulatorów można osiągnąć poprzez zwykłe zmiany w oprogramowaniu do zarządzania akumulatorami. I to bez dodatkowych kosztów lub zmian w sprzęcie, materiałach lub organizacji produkcji.

Konwencjonalny akumulator litowo-jonowy składa się z dwóch elektrod – anody grafitowej i katody z tlenku litu – oddzielonych ciekłym lub stałym elektrolitem, który transportuje jony litu tam i z powrotem. W baterii litowo-metalowej anoda grafitowa jest zastępowana galwanizowaną litowo-metalową, co umożliwia przechowywanie dwukrotnie większej energii na tej samej przestrzeni. Anoda litowo-metalowa waży również mniej niż anoda grafitowa, co jest ważne w przypadku pojazdów elektrycznych. Baterie litowo-metalowe mogą pomieścić co najmniej o jedną trzecią więcej energii niż akumulatory litowo-jonowe.

Czytaj więcej

Rewolucyjna bateria załaduje się w 5 minut. To może być przełom w motoryzacji

- Samochód wyposażony w akumulator litowo-metalowy miałby dwukrotnie większy zasięg niż z litowo-jonowym o tej samej wielkości. To około 600 mil na jednym ładowaniu w porównaniu z 300 milami w obecnych elektrykach – mówi współautor artykułu Philaphon Sayavong, doktorant chemii na Uniwersytecie Stanforda.

Problem w tym, że technologia litowo-metalowa ma poważną wadę. Akumulator szybko traci zdolność do magazynowania energii po niewielu cyklach ładowania i rozładowywania – co jest wysoce niepraktyczne dla kierowców, którzy oczekują, że ładowalne samochody elektryczne będą działać przez lata.

Dzieje się tak, ponieważ lit metaliczny i inne związki wewnątrz baterii reagują ze sobą i bardzo szybko ulegają degradacji po rozładowaniu baterii. Gdy akumulator jest rozładowany, kawałki litu metalicznego wielkości mikronów zostają odizolowane i uwięzione w tzw. interfazie stałego elektrolitu (SEI), gąbczastej matrycy, która tworzy się w miejscu styku anody i elektrolitu.

Czytaj więcej

Powstają baterie kwantowe. Bliski przełom w magazynowaniu i ładowaniu energii

- Matryca SEI to zasadniczo rozłożony elektrolit – wyjaśnił Zhang. - Otacza odizolowane kawałki litu metalicznego oderwanego od anody i uniemożliwia im udział w jakichkolwiek reakcjach elektrochemicznych. Z tego powodu uważamy izolowany lit za „martwy”.

Wielokrotne ładowanie i rozładowywanie powoduje gromadzenie się dodatkowego martwego litu, powodując szybką utratę pojemności akumulatora. Naukowcy zaproponowali skomplikowane receptury chemiczne i szczegółowe techniki elektryczne, aby zatrzymać tę degradację.

Bateria musi odpocząć

Jednak wcześniejsze badania przeprowadzone przez Savayonga i współpracowników wykazały, że matryca SEI zaczyna się rozpuszczać sama, gdy bateria jest nieaktywna. Naukowcy postanowili zbadać tę kwestię dokładniej. - Pierwszym krokiem było całkowite rozładowanie akumulatora, aby nie przepływał przez niego prąd - mówi Zhang.

Czytaj więcej

Zbliża się koniec ładowarek? Atomowa bateria smartfona starczy na 50 lat

Okazało się, że jeśli bateria pozostaje w stanie rozładowania przez godzinę, część matrycy SEI otaczającej martwy lit rozpuszcza się. Kiedy więc ładuje się znów baterię, martwy lit ponownie połączy się z anodą, ponieważ na drodze jest mniej stałej masy. - Wcześniej myśleliśmy, że ta utrata energii jest nieodwracalna – powiedział inny z autorów badania, profesor materiałoznawstwa na Uniwersytecie Stanforda, Yi Cui. - Nasze badanie wykazało jednak, że możemy odzyskać utraconą pojemność, po prostu pozwalając odpocząć rozładowanemu akumulatorowi.

Korzystając z poklatkowej mikroskopii wideo, naukowcy wizualnie potwierdzili rozpad resztkowego SEI, a następnie odzyskanie martwego litu podczas fazy spoczynku.

Przeciętny amerykański kierowca spędza za kierownicą około godziny dziennie, więc rozładowanie i odpoczynek akumulatora samochodowego przez kilka godzin nie jest wielkim problemem.

Może się za to pojawić inny problem - niedługo może zabraknąć litu. Dlatego na świecie naukowcy pracują już nad bateriami, które będą zawierały mniej tego pierwiastka albo wcale, np. przepływowymi, magnezowymi, żelazowo-powietrznymi, sodowo-siarkowymi, a nawet wykorzystującymi pozyskiwaną z drzew ligninę.

Zespół amerykańskich naukowców znalazł prosty sposób na wydłużenie żywotności baterii litowo-metalowych. Trzeba je rozładować całkowicie, a następnie dać im odpocząć przez kilka godzin. - Szukaliśmy najłatwiejszego, najtańszego i najszybszego sposobu na poprawę żywotności obiegu litowo-metalowego - mówi Wenbo Zhang, doktorant w dziedzinie materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Stanforda w USA i współautor artykułu w „Nature”. - Odkryliśmy, że dzięki pozostawieniu akumulatora w stanie rozładowanym można odzyskać utraconą pojemność i wydłużyć cykl życia.

Pozostało 89% artykułu
2 / 3
artykułów
Czytaj dalej. Kup teraz
Technologie
Sztuczna inteligencja ma uprzedzenia wobec kobiet. Zaskakujące wyniki polskich badań
Technologie
Bezzałogowe elektryki pasażerskie już na niebie. Za sterami sztuczna inteligencja
Technologie
Chińczycy pracują nad robo-snajperami. Czworonożne roboty mogą zmienić pole walki
Technologie
„Król chipów": Sztuczna inteligencja przewyższy człowieka za 5 lat
Technologie
Dzięki AI można już ukraść postać. Klon Ukrainki kocha Chiny i sprzedaje tam towary
Technologie
Sztuczna inteligencja rozgryzie emocje każdego. Nowa broń nie tylko dla sklepów