Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory zastosowali techniki omikowe, tradycyjnie stosowane w biologii, aby zwiększyć trwałość i wydajność elektrycznych akumulatorów samolotów. Ich badanie wykazało, że określone sole w elektrolicie mogą tworzyć powłokę ochronną na cząsteczkach katody, znacznie wydłużając żywotność baterii i przygotowując grunt pod planowany lot testowy w 2025 roku.
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”.
Brett Helms, starszy pracownik naukowy w Molecular Foundry, wraz z Youngminem Ko, pracownikiem naukowym ze stopniem doktora, który trzyma baterię pastylkową wykorzystywaną w tych badaniach. Źródło: Jeremy Demarteau
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.
