Coraz bezpieczniejsze elektryki. Większy zasięg i mniej pożarów

Naukowcy z Uniwersytetu Maryland badający awarie akumulatorów litowych opracowali nową technologię, która może umożliwić produkcję pojazdów elektrycznych nowej generacji, które będą mniej podatne na pożary akumulatorów, przy jednoczesnym zwiększeniu ich zdolności do magazynowania energii.

Innowacyjna metoda, zaprezentowana w artykule opublikowanym w środę w czasopiśmie Nature, hamuje wzrost tzw. dendrytów litu. To rozgałęzione struktury, które powstają w litowych bateriach o stanie stałym, uszkadzając ich elektrolit. Powszechne uszkodzenia były jednym z powodów, dla których baterie stanu stałego nie są jeszcze szeroko dostępne na rynku. 

Nowy projekt, uwzględniający w baterii “warstwę pośrednią", powstrzymuje tworzenie dendrytów i może otworzyć drogę do produkcji opłacalnych akumulatorów do pojazdów elektrycznych opartych na ogniwach o stałym elektrolicie. Badania prowadził zespół prof. Chunshenga Wanga z Departamentu Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej Uniwersytetu Maryland.

W samych USA zarejestrowanych jest obecnie 750 tys. pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorami litowo-jonowymi. Są one popularne ze względu na ich zdolność do magazynowania dużej ilości energii. Ich wadą jest jednak fakt, że zawierają łatwopalny, ciekły elektrolit, który pali się po przegrzaniu. 

Choć żadna agencja rządowa nie śledzi pożarów pojazdów według typu samochodu, a pożary akumulatorów w samochodach elektrycznych wydają się być stosunkowo rzadkie, stwarzają one szczególne ryzyko. Amerykańska Krajowa Rada Bezpieczeństwa Transportu podaje, że ratownicy znajdujący się na miejscu takiego pożaru są zagrożeni porażeniem prądem elektrycznym i wdychaniem toksycznych gazów powstających w wyniku uszkodzenia i pożaru akumulatora.

Baterie stanu stałego są uważane za przyszłość pojazdów elektrycznych. Mają być lżejsze, bardziej pojemne i oferować możliwość szybszego ładowania. Co bardzo ważne, mają być też bezpieczniejsze, bo nie zawierają łatwopalnych substancji. Dotąd jednak stworzenie opłacalnych, niezawodnych ogniw z elektrolitem stanu stałego na masową skalę napotykało wiele trudności.

Jedną z najważniejszych były właśnie “dendryty", które pojawiają się, gdy akumulator jest eksploatowany przy dużych pojemnościach i szybkościach ładowania i rozładowywania. Dendryty litu rosną w kierunku katody, powodując zwarcia i spadek pojemności.

Rozwiązanie opracowane przez amerykański zespół ma skutecznie tłumić wzrost tych szkodliwych struktur. Zaproponowana przez naukowców technologia zakłada wbudowanie w strukturę baterii pośredniej warstwy bogatej we fluor, która stabilizuje katodę, oraz wzbogacenie anodowej strony baterii o magnez i bizmut.

"Akumulatory półprzewodnikowe stanu stałego stanowią rozwiązanie nowej generacji, ponieważ zapewniają wysoką energię i bezpieczeństwo. W przypadku obecnych akumulatorów osiągnięcie dużej pojemności i wydajności oznacza poświęcenie bezpieczeństwa" powiedział Wang.

To jednak nie jest ostatnie z wyzwań, jakie stoją przed inżynierami. Zanim nowe baterie trafią na rynek, badacze będą jeszcze musieli zmniejszyć znajdującą się w nich warstwę stałego elektrolitu tak, by gotowe ogniwo miało grubość podobną do akumulatorów litowo-jonowych. To poprawi tzw. gęstość energii, czyli ilość energii, jaką akumulator może zmagazynować. Kolejnym wyzwaniem jest też wysoki koszt wyjściowych materiałów.

Chcąc wypuścić nowe akumulatory na rynek do 2026 r., producent zaawansowanych akumulatorów, firma Solid Power, planuje rozpocząć testy nowej technologii w celu oceny jej potencjału komercjalizacji. W tym samym czasie naukowcy będą pracować nad dalszym zwiększaniem gęstości energii.

Gra jest jednak warta świeczki. Zdaniem ośrodka analitycznego Bloomberg NEF, baterie półprzewodnikowe mogą potencjalnie doprowadzić do obniżenia kosztów wytwarzania akumulatorów o 60 proc. w porównaniu do baterii litowo-jonowych. To może przełożyć się na obniżenie cen samochodów elektrycznych. Baterie oparte na stałym elektrolicie mogą potencjalnie magazynować o 70 proc. więcej energii od klasycznych, co z kolei może przełożyć się na większy zasięg i lżejsze elektryczne auta.