Technika biologiczna sprzed kilkudziesięciu lat odkrywa klucz do przedłużenia żywotności akumulatorów samolotów elektrycznych

Niedawne badanie wykazało, że przełomowy roztwór elektrolitu, zidentyfikowany za pomocą techniki nauk biologicznych, czterokrotnie zwiększył żywotność akumulatorów stosowanych w samolotach elektrycznych.

Jeśli chodzi o ustalenie, dlaczego elektryczne akumulatory lotnicze tracą z biegiem czasu moc, zazwyczaj nie pomyślanoby o skorzystaniu z stosowanego od kilkudziesięciu lat podejścia biologów do badania struktury i funkcji składników organizmów żywych. Okazuje się jednak, że omika – dziedzina, która pomogła naukowcom odkryć tajemnice ludzkiego genomu – może wkrótce odegrać kluczową rolę w urzeczywistnieniu podróży lotniczych bezemisyjnych.

W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Dżulzespół naukowców kierowany przez Laboratorium Narodowe Lawrence Berkeley przy Departamencie Energii (Berkeley Lab) wykorzystał techniki omikowe do badania skomplikowanych interakcji pomiędzy anodą, katodą i elektrolitem akumulatorów samolotów elektrycznych. Jednym z najbardziej znaczących odkryć było odkrycie, że pewne sole zmieszane z elektrolitem akumulatora utworzyły powłokę ochronną na cząsteczkach katody, czyniąc je znacznie bardziej odpornymi na korozję, zwiększając w ten sposób żywotność akumulatora.

Zespół badawczy, w skład którego wchodzą naukowcy z Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley, Uniwersytet Michigan i partnerzy branżowi ABA (Palo Alto, Kalifornia) i 24M (Cambridge, MA), następnie zaprojektowali i przetestowali elektryczny akumulator lotniczy przy użyciu nowego roztworu elektrolitu. Bateria wykazała czterokrotny wzrost w porównaniu z akumulatorami konwencjonalnymi pod względem liczby cykli, w których mogła utrzymać stosunek mocy do energii potrzebny do lotu w powietrzu na napędzie elektrycznym. Następnym krokiem w projekcie będzie wytworzenie przez zespół wystarczającej liczby akumulatorów (o łącznej pojemności około 100 kWh) na planowany lot testowy w 2025 r.

„Sektory transportu ciężkiego, w tym lotnictwo, są niedostatecznie zbadane pod kątem elektryfikacji” – powiedział Brett Helms, autor korespondujący z badaniem i starszy pracownik naukowy w Odlewni Molekularnej w Berkeley Lab. „Nasza praca na nowo definiuje to, co jest możliwe, przesuwając granice technologii akumulatorów, aby umożliwić głębszą dekarbonizację”.

Elektryczne podróże powietrzne wiążą się z wyjątkowymi wyzwaniami

W przeciwieństwie do akumulatorów pojazdów elektrycznych, dla których priorytetem jest utrzymywanie energii na długich dystansach, akumulatory samolotów elektrycznych stoją przed wyjątkowym wyzwaniem, jakim jest wysokie zapotrzebowanie na moc podczas startu i lądowania w połączeniu z dużą gęstością energii podczas długotrwałego lotu.

„W pojeździe elektrycznym skupiamy się na spadku wydajności z biegiem czasu” – powiedział Youngmin Ko, badacz ze stopniem doktora w Molecular Foundry w Berkeley Lab i główny autor badania. „Ale w przypadku samolotów krytyczny jest spadek mocy – możliwość stałego osiągania dużej mocy podczas startu i lądowania”.

Według Ko tradycyjne konstrukcje akumulatorów zawodzą pod tym względem, głównie z powodu braku zrozumienia tego, co dzieje się na styku elektrolitu, anod i katod. Ko powiedział, że w tym miejscu pojawiło się podejście omiczne, metodologia zapożyczona z nauk biologicznych w celu rozszyfrowania wzorców na podstawie zmian w sygnaturach chemicznych w złożonych systemach.

„Biolodzy używają omiki do badania złożonego związku między takimi kwestiami, jak ekspresja genów i… DNA struktury” – powiedział Helms. „Chcieliśmy więc sprawdzić, czy moglibyśmy zastosować podobne podejście do zbadania sygnatur chemicznych elementów akumulatora i zidentyfikowania reakcji przyczyniających się do zaniku mocy oraz miejsca, w którym one występują”.

Naukowcy skupili się w swoich analizach na bateriach litowo-metalowych zawierających tlenki warstwowe o wysokim napięciu i dużej gęstości, zawierające nikiel, mangan i kobalt. W przeciwieństwie do wcześniejszych badań, w których zazwyczaj uważano, że problem zanikania mocy wynika z czegoś, co dzieje się na anodzie akumulatora, zespół zaobserwował, że zanik mocy wynika głównie ze strony katody. W tym miejscu cząsteczki z biegiem czasu pękały i korodowały, utrudniając przepływ ładunku i zmniejszając wydajność akumulatora. Ponadto naukowcy odkryli, że określone elektrolity mogą kontrolować szybkość korozji na styku katody.

„To był nieoczywisty wynik” – powiedział Ko. „Odkryliśmy, że zmieszanie soli w elektrolicie może zmniejszyć reaktywność typowo reaktywnych substancji gatunekktóra utworzyła stabilizującą, odporną na korozję powłokę.”

Po opracowaniu nowego elektrolitu naukowcy przetestowali go w akumulatorze o dużej pojemności. Wykazał doskonałe utrzymanie mocy przy realistycznej misji pionowego startu i lądowania z napędem elektrycznym. Zespół ma nadzieję, że do końca roku uda się wyprodukować akumulatory na potrzeby przewidywanego testu w locie w 2025 r. w prototypie samolotu wykonanym przez czterech partnerów zajmujących się eVTOL (pionowy start i lądowanie). Patrząc w przyszłość, Helms i Ko powiedzieli, że zespół i ich współpracownicy planują rozszerzyć zastosowanie omików w badaniach nad akumulatorami, badając interakcje różnych składników elektrolitu, aby lepiej zrozumieć i dostosować wydajność akumulatorów do obecnych i nowych zastosowań w transporcie i sieci .

Odniesienie: „Omiczne zrozumienie elektrolitów akumulatorów samolotów elektrycznych” autorstwa Youngmin Ko, Michael A. Baird, Xinxing Peng, Tofunmi Ogunfunmi, Young-Woon Byeon, Liana M. Klivansky, Haegyeom Kim, Mary C. Scott, John Chen, Anthony J. D’Angelo, Junzheng Chen, Shashank Sripad, Venkatasubramanian Viswanathan i Brett A. Helms, 17 czerwca 2024 r., Dżul.
DOI: 10.1016/j.dżul.2024.05.013

Odlewnia Molekularna jest placówką użytkownika DOE Office of Science w Berkeley Lab.

Prace te były wspierane przez Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych ds. Energii (ARPA-E) DOE i Biuro Naukowe DOE.