Nowa forma baterii opracowana przez Laboratorium Magazynowania i Konwersji Energii prof. Y. Shirley Meng – będąca efektem współpracy Szkoły Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzker z Wydziałem Inżynierii Chemicznej i Nanoinżynierii Rodziny Aiiso Yufeng Li Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego – zapewnia niedrogie, szybkie ładowanie akumulatorów o dużej pojemności do pojazdów elektrycznych i magazynowanie w sieci bliżej niż kiedykolwiek. Źródło: Szkoła Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzkera / John Zich
Naukowcy z Laboratorium Magazynowania i Konwersji Energii profesora Y. Shirley Meng w Chicago stworzyli pierwszy bezanodowy, półprzewodnikowy akumulator sodowy.
Opracowując tę baterię, LESC – wspólna inicjatywa Szkoły Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzkera i Wydziału Inżynierii Chemicznej i Nanoinżynierii Rodziny Aiiso Yufeng Li Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego – umożliwiła stworzenie niedrogich, szybko ładujących się, wysoce wydajnych akumulatorów akumulatory o dużej pojemności do pojazdów elektrycznych i magazynowanie w sieci bliżej niż kiedykolwiek.
„Chociaż istniały już akumulatory sodowe, półprzewodnikowe i bezanodowe, jak dotąd nikomu nie udało się z powodzeniem połączyć tych trzech pomysłów” – powiedział Grayson Deysher, doktorant z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, pierwszy autor nowego artykułu przedstawiającego badania.
Postęp w dziedzinie zrównoważonej energii
Niedawno opublikowane w Energia Naturyw artykule ujawniono nową architekturę baterii sodowych charakteryzującą się stabilną pracą cykliczną przez kilkaset cykli. Dzięki usunięciu anody i zastosowaniu niedrogiego, występującego w dużych ilościach sodu zamiast litu, ta nowa forma baterii będzie tańsza i bardziej przyjazna dla środowiska w produkcji. Dzięki innowacyjnej konstrukcji półprzewodnikowej akumulator będzie również bezpieczny i wydajny.
Prace te stanowią zarówno postęp naukowy, jak i niezbędny krok w celu wypełnienia luki w skalowaniu baterii potrzebnej do przejścia światowej gospodarki od paliw kopalnych. „Aby Stany Zjednoczone mogły działać przez godzinę, musimy wyprodukować jedną terawatogodzinę energii” – powiedział Meng. „Aby zrealizować naszą misję dekarbonizacji naszej gospodarki, potrzebujemy kilkuset terawatogodzin baterii. Potrzebujemy więcej baterii i to szybko”.
Doktorant z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, Grayson Deysher, jest pierwszym autorem artykułu opisującego pracę zespołu. Doktorant z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, Grayson Deysher, jest pierwszym autorem artykułu opisującego pracę zespołu. Źródło: David Baillot / Szkoła Inżynierska Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego Jacobs
Obietnica sodu zamiast litu
Lit powszechnie stosowany w bateriach jest rzadkością. Stanowi około 20 części na milion skorupy ziemskiej, w porównaniu do sodu, który stanowi 20 000 części na milion. Ten niedobór w połączeniu ze wzrostem popytu na akumulatory litowo-jonowe do laptopów, telefonów i pojazdów elektrycznych doprowadził do gwałtownego wzrostu cen, przez co potrzebne baterie stały się bardziej niedostępne.
Skoncentrowane są także złoża litu. „Trójkąt litowy” Chile, Argentyny i Boliwii posiada ponad 75% światowych dostaw litu, a inne złoża znajdują się w Australii, Karolinie Północnej i Nevadzie. Przynosi to korzyści niektórym krajom w porównaniu z innymi w zakresie dekarbonizacji niezbędnej do walki ze zmianami klimatycznymi.
„Globalne działania wymagają współpracy, aby uzyskać dostęp do niezwykle ważnych materiałów” – stwierdziła Meng.
Ekstrakcja litu jest również szkodliwa dla środowiska, niezależnie od tego, czy chodzi o kwasy przemysłowe stosowane do rozkładu rudy wydobywczej, czy o bardziej powszechną ekstrakcję solanką, która pompuje ogromne ilości wody na powierzchnię w celu wyschnięcia. Sód, powszechnie występujący w wodzie oceanicznej i w kopalniach sody kalcynowanej, jest z natury bardziej przyjaznym dla środowiska materiałem akumulatorowym. Badania LESC uczyniły go również potężnym.
a) Schemat ogniwa dla anod węglowych, anod stopowych i konfiguracji bez anod. b) Porównanie teoretycznej gęstości energii dla różnych materiałów anod sodowych. c) Schemat ilustrujący wymagania umożliwiające zastosowanie całkowicie półprzewodnikowego akumulatora bezanodowego. Źródło: Laboratorium Magazynowania i Konwersji Energii
Nowe innowacje architektoniczne
Aby stworzyć baterię sodową o gęstości energii baterii litowej, zespół musiał wynaleźć nową architekturę baterii sodowej. Tradycyjne akumulatory mają anodę do przechowywania jonów podczas ładowania akumulatora. Podczas pracy akumulatora jony przepływają z anody przez elektrolit do kolektora prądu (katody), po drodze zasilając urządzenia i samochody.
Baterie bezanodowe usuwają anodę i magazynują jony poprzez elektrochemiczne osadzanie metalu alkalicznego bezpośrednio na kolektorze prądu. Takie podejście umożliwia wyższe napięcie ogniwa, niższy koszt ogniwa i większą gęstość energii, ale wiąże się z własnymi wyzwaniami.
„W każdym akumulatorze bezanodowym musi istnieć dobry kontakt pomiędzy elektrolitem a kolektorem prądu” – powiedział Deysher. „Zazwyczaj jest to bardzo łatwe w przypadku stosowania ciekłego elektrolitu, ponieważ ciecz może przepływać wszędzie i zwilżać każdą powierzchnię. Stały elektrolit nie może tego zrobić.”
Jednakże te ciekłe elektrolity tworzą osad zwany interfazą stałego elektrolitu, stale zużywając materiały aktywne, zmniejszając z czasem użyteczność akumulatora.
Nowatorskie podejścia i perspektywy na przyszłość
Zespół przyjął nowatorskie, innowacyjne podejście do tego problemu. Zamiast używać elektrolitu otaczającego kolektor prądu, stworzyli kolektor prądu otaczający elektrolit. Stworzyli swój kolektor prądu z proszku aluminiowego, ciała stałego, które może płynąć jak ciecz.
Podczas montażu akumulatora proszek zagęszczano pod wysokim ciśnieniem, tworząc stały kolektor prądu, utrzymując jednocześnie płynny kontakt z elektrolitem, umożliwiając niskokosztową i wysokowydajną cyklizację, która może popchnąć tę rewolucyjną technologię do przodu.
„Baterie półprzewodnikowe sodowe są zwykle postrzegane jako technologia, która ma odległą przyszłość, mamy jednak nadzieję, że ten artykuł może pobudzić większy nacisk na obszar sodu, wykazując, że rzeczywiście mogą one działać dobrze, nawet lepiej niż baterie litowe wersji w niektórych przypadkach” – powiedział Deysher.
Decydujący gol? Meng widzi przyszłość energetyczną dzięki różnorodnym czystym i niedrogim bateriom przechowującym energię odnawialną, dostosowanym do potrzeb społeczeństwa.
Meng i Deysher złożyli wniosek patentowy na swoje dzieło za pośrednictwem Biura ds. Innowacji i Komercjalizacji Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.
Odniesienie: „Zasady projektowania bezanodowego, całkowicie półprzewodnikowego akumulatora sodowego” autorstwa Graysona Deyshera, Jin An Sam Oh, Yu-Ting Chen, Baharak Sayahpour, So-Yeon Ham, Diyi Cheng, Phillip Ridley, Ashley Cronk, Sharon Wan-Hsuan Lin, Kun Qian, Long Hoang Bao Nguyen, Jihyun Jang i Ying Shirley Meng, 3 lipca 2024 r., Energia Natury.
DOI: 10.1038/s41560-024-01569-9
Finansowanie: Fundusze na tę pracę zapewniła Narodowa Fundacja Nauki w ramach grantu Partnerstwa na rzecz Innowacji (PFI) nr. 2044465
