Batéria s dojazdom 1 000 km či nehorľavé vodné batérie – budú čoskoro na dosah?
Nízky dojazd a zvýšené riziko požiaru sú dva hlavné argumenty proti elektromobilom. Výskumníci z Južnej Kórey a Austrálie by mohli vyriešiť oba problémy.
Hoci nové elektromobily dnes dokážu na jedno nabitie prejsť až 700 kilometrov, psychologicky dôležitú hranicu 1 000 kilometrov dojazdu na batérie sa zatiaľ nepodarilo prekonať. Výskum sa naďalej zameriava na využitie kremíka, ktorý je známy svojou vysokou kapacitou akumulátorov.
Napriek jeho potenciálu zostáva praktické využitie kremíka, napríklad ako anódového materiálu v lítium-iónových batériách, stále otázne.
Batéria s dojazdom 1 000 km na dosah
Tu prichádzajú do hry profesor Soojin Park, doktorand Minjun Je a Dr. Hye Bin Son z Katedry chémie na Vedeckej a technologickej univerzite v Pohangu v Južnej Kórei. Vyvinuli systém lítium-iónových batérií novej generácie s vysokou hustotou energie.
Ich zásadný prielom dosiahli vďaka drobným časticiam, presnejšie mikročasticiam kremíka. Okrem toho použili gélový polymérny elektrolyt, ktorý doslova zmierňuje mnohé predchádzajúce problémy kremíkových anód.
Kremík je pre výskum batérií zaujímavý tým, že ako anóda dokáže absorbovať až desaťkrát viac iónov lítia ako predchádzajúce grafitové anódy. Problémom však je, že lítium sa počas nabíjania zväčší viac ako trojnásobne a počas vybíjania sa opäť zmenší na pôvodnú veľkosť, čo výrazne zhoršuje účinnosť batérie.
Jedno riešenie je známe už nejaký čas: malé kremíkové častice v rozsahu nanometrov. Ich „sofistikovaný výrobný proces je zložitý a astronomicky drahý“, píše Pohangská univerzita. Kompromisom sú nie až tak malé mikročastice kremíka. V kombinácii s elastickým gélovým elektrolytom sa výskumníkom profesora Parka podarilo vyvinúť „ekonomický a zároveň stabilný batériový systém“.
Mikrokremík je mimoriadne praktický z hľadiska nákladov a hustoty energie, vysvetlil profesor Park: „Použili sme anódu z mikrokremíka, ale máme stabilnú batériu. Tento výskum nás približuje k skutočnému systému lítium-iónových batérií s vysokou hustotou energie.“ Systém kremíkového gélového elektrolytu vyvinutý výskumným tímom mal podobnú iónovú vodivosť ako bežné batérie s tekutými elektrolytmi.
Zároveň sa im podarilo zlepšiť hustotu energie približne o 40 %. Zďaleka najväčšou výhodou je však nekomplikovaný výrobný proces, „ktorý sa dá okamžite použiť“. Inými slovami, vďaka Parkovmu výskumu by sa zo súčasného dojazdu 700 kilometrov mohlo čoskoro stať (takmer) 1000 kilometrov.
Vodné batérie sa pri požiari nevznietia
Lítiovo-iónové systémy na uskladnenie energie dominujú na trhu vďaka svojej technologickej vyspelosti, ale ich vhodnosť na skladovanie energie vo veľkom meradle je limitované kvôli bezpečnostným obavám z prchavých materiálov vo vnútri. Ďalším „horúcim“ argumentom proti elektronickým autám je preto ich riziko požiaru.
Recyklovateľné „vodné batérie“, ktoré vyvinul medzinárodný tím výskumníkov a zástupcov priemyslu pod vedením Kráľovského melbournského technologického inštitútu (RMIT) v Austrálii, sa nemôžu vznietiť ani vybuchnúť. Ich batérie využívajú vodu ako náhradu organických elektrolytov, ktoré umožňujú tok elektrickej energie medzi kladnými a zápornými pólmi. Vedúci výskumu profesor Tianyi Ma vysvetlil: „To, čo vyvíjame a vyrábame, sa nazýva vodné kovovo-iónové batérie – alebo jednoducho vodné batérie.“
Pokračoval: „Naše batérie možno bezpečne rozobrať a materiály opätovne použiť alebo recyklovať, aby sa vyriešili problémy, ktorým čelia spotrebitelia, priemysel a vlády na celom svete pri likvidácii súčasných technológií skladovania energie.“
Na ceste k nahradeniu lítium-iónových batérií
Vodné systémy na uskladnenie energie vyvinuté profesorom Maom a jeho kolegami sú v súčasnosti lídrom v tejto oblasti, pokiaľ ide o výkon a životnosť. „Naše batérie majú teraz výrazne dlhšiu životnosť – porovnateľnú so štandardnými lítium-iónovými batériami na trhu – a sú preto ideálne na rýchle a intenzívne používanie,“ hovorí profesor Ma.
Horčík-iónová vodná batéria, ktorú výskumníci nedávno vyrobili, má energetickú hustotu 75 WH / kg. To zodpovedá hodnote komerčne dostupných niklových batérií, ale dosahuje len približne 30 % hodnoty najnovších lítiových článkov spoločnosti Tesla.
Podľa výskumníkov sú však vodné batérie založené na „materiáloch, ako sú horčík a zinok, ktoré sú v prírode hojne rozšírené, lacné a menej toxické ako alternatívy používané v iných typoch batérií“. To vedie k zníženiu výrobných nákladov a znižuje riziká pre ľudské zdravie a životné prostredie. Jednoduchosť výrobných procesov tiež umožňuje masovú výrobu.
Vo svojej najnovšej práci profesor Ma a jej kolegovia zvládli aj veľkú výzvu. Špicaté kovové útvary, známe ako dendrity, môžu rásť vo vnútri batérie a viesť ku skratom a iným vážnym poruchám vrátane samovoľných požiarov. Špeciálny povlak vo vnútri batérie by tomu mohol zabrániť.
Ďalším krokom je zvýšenie energetickej hustoty vodných batérií „vývojom nových nanomateriálov ako elektródových materiálov“, hovorí s istotou profesor Ma. „Horčíkovo-iónové vodné batérie majú potenciál nahradiť olovené batérie v krátkom čase – približne za jeden až tri roky“. O päť až desať rokov bude možné konkurovať aj lítium-iónovým batériám.
„Horčík je ľahší ako alternatívne kovy vrátane zinku a niklu, má väčšiu potenciálnu hustotu energie a umožní batériám s rýchlejším nabíjaním a lepšou schopnosťou poháňať energeticky náročné zariadenia a aplikácie.“
Prínosy pre elektromobilitu sú obmedzené
Súčasný výskum opäť zdôrazňuje, že rýchlosť nabíjania, životnosť batérií a dojazd nemožno zvyšovať ľubovoľne. Sú skôr priamo spojené s použitými materiálmi, a preto sú chemicky závislé a obmedzené. Z toho vyplývajú dve významné obmedzenia elektromobility.
Keďže chemické zloženie batérií sa nedá jednoducho nahradiť, už vyrobené vozidlá nemôžu profitovať z nového výskumu. A aj keď sa batéria vymení – čo je zvyčajne veľmi nákladné – neexistuje záruka, že inštalovaná elektronika s ňou bude kompatibilná.
Na druhej strane, proces nabíjania sa nedá skrátiť na „úroveň benzínu“ vzhľadom na príslušnú chémiu. Zároveň ani tie najlepšie a najrýchlejšie nabíjacie stanice nie sú k ničomu, ak (vlastné) elektronické vozidlo nie je na tieto napätia určené. Inými slovami, vodiči si budú musieť kúpiť nové vozidlo, aby využili celý potenciál.
Pôvodný článok
