Kopalni litu jest zbyt malo, a często kontrolują je Chińczycy. Ceny surowca mocno się wahają
Paweł Rożyński
Nie ma już chyba dnia bez informacji o jakimś kolejnym odkryciu pozwalającym zastąpić najpopularniejsze obecnie akumulatory litowo-jonowe. Nie chodzi tylko o zwiększanie wydajności, ale i bezpieczeństwo dostaw, gdy dostępne zasoby litu są ograniczone, a Chiny kontrolują dużą ich część, jak i produkcję baterii, zaś sam lit podlega ogromnym wahaniom cenowym. Poza tym tradycyjne akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się co prawda dużą gęstością energii, ale są do końca bezpieczne ze względu na stosowane w nich łatwopalne elektrolity organiczne, czyli składnik umożliwiający ładowanie i rozładowywanie akumulatora.
Inspiracja sprężyną
Shinshu Sanjeev Kumar Ujjain, badacz na Uniwersytecie Maryland w USA, jeszcze mieszkając w Japonii, chciał wiedzieć, czy nanorurki węglowe można też wykorzystać do magazynowania energii. W 2022 roku przeniósł się do USA, gdzie kontynuował badania i dokonał znaczącego odkrycia. Skręcenie nanorurek węglowych znacznie poprawiło efektywność magazynowania energii.
Badacz zainspirował się mechanizmem sprężyny śrubowej, która istniała na długo, zanim jednorazowe baterie zaczęły zasilać zabawki dla dzieci. Sprężynę można nakręcić i przechowywać energię mechaniczną, by uwalniać ją później, napędzając ruch np. kółek zabawki czy wskazówek naręcznego zegarka.
Nanorurki węglowe to struktury o wielkości nanometrów, zwykle wykonane z pojedynczej warstwy atomów węgla. Te arkusze węglowe są niezwykle lekkie, a jednocześnie mocniejsze niż stal. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Nature Nanotechnology”.
Ujjain chciał sprawdzić, czy cały system będzie działał w jeszcze mniejszej skali, a materiałem wybranym do przetestowania jego pracy były nanorurki węglowe. Jego zespół połączył dostępne na rynku nanorurki węglowe w nici, a następnie naciągnął je i skręcił w jedną, pokrywając ją różnymi substancjami w celu poprawy jej wytrzymałości i elastyczności.
Okazało się, że skręcone nanorurki węglowe mogą pomieścić 15 tys. razy więcej energii na jednostkę masy niż stalowe sprężyny. Ale to nie stal się liczy. Największym konkurentem są akumulatory litowo-jonowe, urządzenie o największej gęstości energii zbudowane przez ludzkość.
Ujjainowi i grupie naukowców, której przewodzi, udało się wykazać trzykrotnie większą gęstość magazynowania energii niż w przypadku standardowego akumulatora litowo-jonowego. W przeciwieństwie do zmiennej wydajności, jaką cechuje się ten ostatni w różnych temperaturach, skręcone nanorurki węglowe wykazały spójność w magazynowaniu energii w szerokim zakresie temperatur, od -60 stopni Celsjusza do 100 °C.
Technologia ta ma bardziej mechaniczne cechy niż elektrochemiczne, więc jest bezpieczniejsza, co oznacza wiele zastosowań, np. w medycynie. Może utorować drogę nowym implantom i czujnikom, które będą małe i lekkie. „Badanie pokazuje, że skręcone nanorurki węglowe mają ogromny potencjał w zakresie magazynowania energii mechanicznej i jesteśmy podekscytowani możliwością podzielenia się tą wiadomością ze światem” – stwierdził Ujjain w oświadczeniu cytowanym przez „Interesting Engineering”.
A może galaretka?
Nanorurki mogą być rewolucją w medycynie, podobnie jak baterie wyglądające jak galaretki, składające się z hydrożeli – trójwymiarowych sieci polimerów zawierających ponad 60 proc. wody. Mogą trafić do różnych implantów (np. w celu dostarczania leków lub leczenia schorzeń takich jak epilepsja), ale i robotów czy akcesoriów typu wearables. Takie baterie stworzyli naukowcy z Cambridge. Podczas gdy konwencjonalna elektronika wykorzystuje sztywne materiały metaliczne z elektronami jako nośnikami ładunku, te galaretkowe akumulatory wykorzystują jony do przenoszenia ładunku, podobnie jak węgorze elektryczne. Nie tylko dostarczają prąd, ale ponieważ są rozciągliwe (mogą rozciągać się ponaddziesięciokrotnie w stosunku do swojej pierwotnej długości bez utraty przewodności), są w stanie same się naprawiać. Profesor Oren Scherman, dyrektor Laboratorium Syntezy Polimerów w Melville, który współkierował badaniami, przekonuje, że prawdopodobieństwo odrzucenia implantu hydrożelowego przez organizm byłoby znacznie mniejsze, ponieważ nie zawierają sztywnych elementów, np. metalowych.
Jeszcze dalej poszli Chińczycy. Opracowali wszczepialne w ciało baterie, które mogą zapewnić stabilne zasilanie urządzeń, pobierając tlen z organizmu. Akumulator generował napięcie wyjściowe w zakresie 1,3–1,4 V. Ponieważ tlen nigdy się nie wyczerpuje, również samo ogniwo jest praktycznie niewyczerpywalne. Akumulator może zasilać przeróżne technologie medyczne, stymulujące funkcje życiowe (np. rozruszniki serca czy neurostymulatory pomagające w tłumieniu przewlekłego bólu), ale i urządzenia typu wearables. Konstrukcja akumulatora składa się z elektrod wykonanych ze stopu na bazie sodu i złota ze specjalnymi mikroskopijnymi porami (złoto stanowi dobry przewodnik i nie jest odrzucane przez organizm). Elektrody mogą reagować z tlenem w organizmie i generować napięcie.
Sód, potas i woda
Ale najbardziej przykuwa uwagę postęp w dziedzinie zasilania najczęściej używanych urządzeń, czyli samochodów, telefonów komórkowych czy laptopów. Najnowszym osiągnięciem jest tutaj zademonstrowany podczas 14. dorocznej konferencji Beyond Lithium pierwszy na świecie akumulator potasowo-jonowy, stworzony przez firmę Group1. Nośnikiem ładunku są jony potasu, a nie litu, ale bateria ta ma taki sam kształt i jest w pełni kompatybilna z urządzeniami jak powszechnie stosowana litowo-jonowa. Co ważne, nie ustępuje jej pod względem wydajności.
Z kolei koreańscy naukowcy prof. Byoungwoo Kang i dr Heetaek Park z Wydziału Materiałoznawstwa i Inżynierii Materiałowej na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Pohang stworzyli wysokoenergetyczny i niezwykle wydajny akumulator sodowo-jonowy. Ładowanie takiego akumulatora ma zajmować zaledwie kilka sekund. Wyjątkowość tej baterii polega także na tym, że może ona wykorzystywać sód (Na) i powietrze bez użycia żadnego specjalnego sprzętu. Nowy akumulator ma również większą gęstość energii niż komercyjne akumulatory litowo-jonowe. Naukowcy podkreślają, że ich wynalazek to przyszłość elektrotechniki i motoryzacji.
Znacznie dostępniejsza niż sód czy potas jest jednak woda. Naukowcy z Chin opracowali bezpieczną i wydajną baterię na jej bazie. Akumulatory wodne mają na ogół niższą gęstość energii ze względu na ograniczoną rozpuszczalność elektrolitu i niskie napięcie akumulatora. Naukowcy opracowali jednak wieloelektronową katodę z transferem elektronów na bazie bromu i jodu. Jak twierdzą, gęstość energii ich akumulatorów nawet „przekracza gęstość energii niektórych materiałów na elektrody stałe” i może być porównywalna pod względem kosztów z tradycyjnymi akumulatorami litowymi. Nowe rozwiązania, które mają zastąpić lit, są często drogie. Jednak odkryty niedawno przez naukowców z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (USTC) nowy rodzaj elektrolitu siarczkowego pozwoli obniżyć cenę akumulatorów aż o 90 proc.
