Bateria aluminiowa nowej generacji: co to jest?
Gdy tylko ludzie dowiedzieli się o elektryczności i poczuli, że może się ona przydać, wynalazcy z całego świata zaczęli szukać nowych sposobów i źródeł energii, a następnie chcieli przechowywać ją w jednym konkretnym miejscu. Ale ostatnie 30 lat było wyjątkowe w poszukiwaniu pojemności – prima aluminiowo-jonowa bateria została opracowana przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda. Światowa społeczność natychmiast zainteresowała się jego możliwością szybkiego ładowania, a jednocześnie dość niewielkim kosztem. Według zapewnień twórców, nowe opracowanie może stać się bezpieczną alternatywą dla powszechnie stosowanych dziś baterii litowo-jonowych, a także dla szkodliwych dla zdrowia baterii alkalicznych.
Dlaczego są lepsi od reszty - porównajmy
Wspomniane już przez nas akumulatory litowo-jonowe cieszą się obecnie największym popytem we współczesnym świecie i nie jest to zaskakujące, ponieważ takie akumulatory mają szereg zalet:
- duża gęstość;
- małe samorozładowanie - nie więcej niż 4-6% miesięcznie;
- wydajność w temperaturach od -20°C do +50°C;
- mała masa;
- cykle rozładowania i ładowania rzędu 1000 razy.
Pomimo wszystkich swoich niepodważalnych zalet akumulatory litowo-jonowe mają dwie istotne wady, na które po prostu nie można przymknąć oka:
- wysoka cena;
- wybuchowość i skłonność do samozapłonu w określonych warunkach.
Oczywiście jest to nieprzyjemne, gdy tak doskonałe parametry są po prostu przekreślone przez jakąś ukrytą lub otwartą wadę, ale nic nie można zrobić - człowiek i jego dzieła są dalekie od ideału.
A czym jest akumulator aluminiowo-jonowy firmy Stanford, oprócz zapewnień jego twórców, że jest bezpieczną alternatywą dla akumulatorów litowych? Oczywiście takie pojemniki nie są obecnie powszechnie dostępne i jak na razie wszystko jest na poziomie eksperymentalnym, gotowe do przejścia na poziom komercyjno-przemysłowy. Dlatego możemy zadowolić się jedynie analizami i zapewnieniami autorytatywnych ekspertów z nie mniej autorytatywnych organizacji naukowych. Dlatego wypadałoby tutaj przypomnieć tym, którzy już czytali lub powiedzieć tym, którzy jeszcze nie wiedzą, że profesor Dai Hongzhi zapewnił wszystkich, że nie da się zapalić aluminiowej baterii, nawet jeśli jest przewiercona. Taką samą opinię podzielają jego koledzy deweloperzy, którzy twierdzą, że jest to zupełnie nowy rodzaj ultraszybkiego akumulatora.
Oprócz bezpieczeństwa przeciwpożarowego urządzenia, wśród jego zalet, których nie ma popularna bateria litowa, jest również niski koszt i zdolność do tworzenia imponującej pojemności elektrycznej. Z tych powodów aluminium jako element już dawno zaczęło przyciągać uwagę różnych badaczy, a prawie 30 lat poświęcono na opracowanie urządzenia opłacalnego pod względem kosztów - akumulatora aluminiowo-jonowego.
Na tym etapie taki akumulator jest w stanie wytworzyć najbardziej stabilne napięcie po dużej liczbie cykli ładowania-rozładowania w porównaniu z urządzeniem do przechowywania litowo-jonowego. Warto również zauważyć, że profesor Patrick Johansson z Chalmers University w Szwecji wspomniał, że nowe akumulatory aluminiowo-jonowe mają dwukrotnie większą pojemność energetyczną niż znane już akumulatory aluminiowe na rynku elektrycznym.
Co zostało osiągnięte
Na drodze do stworzenia baterii nowej generacji było wystarczająco dużo przeszkód, a wśród wszystkich innych można wymienić:
- rozpad materiału katody;
- słabe wskaźniki rozładowania komórek (0,53 V);
- szybka utrata zdolności;
- niski cykl ładowania-rozładowania - po 100 cyklach życia utrata mocy baterii wynosiła już 25-85%.
Problemy te zostały rozwiązane – badacze otrzymali zupełnie nową wersję baterii opartą na dobrze znanym aluminium. Jego cechę wyróżniającą można nazwać wysoką stabilnością ładunku, na którą wpływ miała anoda aluminiowa w połączeniu z katodą z pianki grafitowej 3D. Oczywiście taka decyzja nie została podjęta od razu: początkowo testowano różne materiały na katodę, a wariant z grafitem był zupełnie nieoczekiwany. Grupa Hongzhi Daya poprzez badania zidentyfikowała kilka rodzajów materiałów grafitowych zdolnych do utrzymania wydajności, której nigdy wcześniej nie widziano.
Eksperyment na Uniwersytecie Stanforda przebiegał tak: następujące elementy zostały umieszczone w miękkiej polimerowej torbie:
- anoda aluminiowa;
- katoda grafitowa;
- bezpieczny elektrolit jonowy, składający się głównie z roztworów soli.
Przydatne wideo
Tutaj, do takiej zaimprowizowanej baterii aluminiowo-jonowej, jak na górnym zdjęciu, podłączyli żarówkę i wywiercili paczkę, która służy jako eksperymentalny budynek, ale żarówka nawet nie pomyślała o zgaśnięciu. Oznacza to, że po tak poważnym uszkodzeniu mechanicznym, jak dziura, bateria jeszcze przez jakiś czas będzie w pełni funkcjonować, a jednocześnie nie będzie się świecić - nie udało się to jeszcze osiągnąć z żadną baterią.
Kolejnym znaczącym osiągnięciem, które również można nazwać przełomem w tej dziedzinie, jest niezwykle szybkie ładowanie. Porównując, możesz sobie wyobrazić baterię litową dowolnego nowoczesnego smartfona: średnio około 4 godzin, aby osiągnąć 100% pojemności (najczęściej zostawiamy je podłączone na noc), ale bateria aluminiowo-jonowa zyska to samo 100% w ciągu jednego minuta. Oznacza to, że prędkość wzrasta nie dziesiątki, ale kilkaset razy! Porównaj 4 jako i 1 minutę: 4*60/1=240.
Oddzielnie można mówić o czasie pracy baterii, o którym nawet nie mogli myśleć. Najlepszy obecnie produkowany komercyjnie akumulator litowo-jonowy, który ma 1000 cykli ładowania i rozładowania, był do tej pory uważany za najtrwalszy ze wszystkich znanych pojemności. Ale aluminiowe know-how zwiększyło ten limit 7,5 razy, a teraz żywotność baterii wyniesie 7500 cykli, a to było dopiero na początku eksperymentu! Imponujące, prawda?
Wśród wielu godnych uwagi cech i zalet akumulatorów aluminiowo-jonowych jest elastyczność obudowy. Oznacza to, że bateria nie boi się deformacji, dlatego może być teraz używana do elastycznych gadżetów, a z czasem pojawią się inni potencjalni konsumenci.
W chwili obecnej perspektywy wykorzystania baterii na dużą skalę z taką parą anoda-katoda upatruje się w rezerwacji energii elektrycznej do dalszego jej wykorzystania w różnych obiektach strategicznych i kosmicznych. Co więcej, najnowsze dane wskazują na możliwość cyklicznych wyładowań-ładowań dziesiątki tysięcy razy! Czy to będzie granica, dopiero się okaże.
Obecnie szeroko stosowane są ogniwa AA i ich mniejsza wersja AAA, które mają napięcie 1,5 V, ale bateria aluminiowo-jonowa tej samej wielkości jest w stanie generować napięcie 2 V. Okazuje się, że tutaj aluminium przeskoczyło samo siebie - nigdy wcześniej pojemniki aluminiowe nie miały takich wskaźników.
Teraz twórcy nowej generacji akumulatorów są pewni, że dzisiejsza wydajność nie jest jeszcze granicą możliwości i ta wiedza będzie kontynuowana. Sam Hongzhi Dai mówi, że ulepszenie materiału katodowego (proszek grafitowy) doprowadzi do jeszcze większego wzrostu napięcia i gęstości ładunku w akumulatorze. Takie urządzenia są skazane na sukces, ponieważ aluminium jest lepszym nośnikiem ładunku niż lit, ponieważ jest wielowartościowe, a każdy jon kompensuje kilka elektronów.
Przydatne wideo
Wniosek
Bez względu na to, co mówią o bateriach aluminiowych i jak są traktowane, w tej chwili główny cel twórców został osiągnięty. Są najtańsze pod względem materiałów produkcyjnych przed bateriami litowymi, mają zwiększone bezpieczeństwo, szybkie ładowanie i długą żywotność. To wystarczy, aby stwierdzić, że te baterie to przyszłość.
