Argonne National Lab, amerykańskie laboratorium naukowe pracujące dla Departamentu Energii, pochwaliło się nowymi ogniwami litowo-powietrznymi ze stałym elektrolitem. W ogniwach tych anoda ma najwyższą możliwą gęstość, bo zbudowana jest po prostu z litu (współcześnie: grafit). Katoda z kolei jest bardzo tania, ponieważ opiera się na tlenie znajdującym się w powietrzu (stąd nazwa: Li-air). Całość ustabilizowana jest stałym elektrolitem, żeby ogniwo nie ulegało szybkiej degradacji.
Ogniwo Li-air – wygląda na bliskie ideałowi
Spis treści
Kilka słów wstępu: kiedy opisujemy ogniwa, często wzmiankujemy o chemii katod, ponieważ jest ona kluczowa dla ich parametrów. Piszemy na przykład o katodach nikiel-kobalt-mangan, NCM. W rzeczywistości jednak wzór tych katod jest nieco bardziej skomplikowany, wygląda bowiem tak: Li(NixCoyMnz)O2, gdzie x, y, z to na przykład 8, 1, 1. To struktura, w której atomy litu tworzą wiązania z atomami tlenu (tlenki, a precyzyjniej: nadtlenki i ponadtlenki), a całość uwięziona jest w siatce z wspomnianych wcześniej pierwiastków. Podczas ładowania wiązanie lit-tlen jest zrywane, wyzwala się elektron, a jon litu przepływa na anodę, gdzie elektron do niego wraca.
Schemat działania ogniw Li-ion. Podczas ładowania jony litu wędrują z katody NCM/NCA/… do grafitowej anody, energia natomiast przepływa po przewodniku. Ilustracja NIE jest obrazem ogniw Li-air (c) DoE
Lit wyjątkowo dobrze nadaje się do ogniw, ponieważ łatwo i szybko się utlenia – wyzwala energię. Ale ten tlen jest jednocześnie zmorą ogniw, bo palenie to proces gwałtownego utleniania, tymczasem elektrolity są palne. Właśnie dlatego potrzeba było dobrych kilkudziesięciu lat, żeby ustabilizować ogniwa litowe i sprawić, żeby wreszcie nie ulegały samozapłonom. W ogniwach NCM tym stabilizatorem jest siatka atomów niklu-kobaltu-manganu.
Tak, w procesie rdzewienia mostu czy samochodu też wyzwala się energia. Wykorzystano to choćby w ogniwach Fe-air.
Wynalazek Argonne National Lab (ANL)
W świetle powyższego opisu nowe ogniwa ANL powinny sprawiać wrażenie o wiele bardziej sensownych. No bo tak: po co stosować katodę z drogich pierwiastków (kobalt, nikiel), skoro można użyć tlenu z powietrza? Dalej: po co wykorzystywać grafit w drugiej elektrodzie, anodzie, jeśli można by go zastąpić czystym litem i w ten prosty sposób wielokrotnie zwiększyć pojemność ogniwa (grafit to wypełniacz i stabilizator, za pojemność odpowiada tylko lit)?
Brzmi doskonale? Brzmi. To rozwiązanie posiada jednak kilka „drobnych wad”. Pierwsza jest taka, że nie do końca wiadomo, jak miałoby się odbywać zasysanie tlenu z powietrza i co transportowałoby elektrony. Kolejna to lit: przy przemieszczaniu się jonów powstają filamenty, rozgałęzione struktury (dendryty), które wędrują stopniowo w kierunku drugiej elektrody. Zwarcie elektrod = uszkodzenie ogniwa w najlepszym razie, fajerwerki w najgorszym. Do tego zestawu trzeba było więc coś dołożyć.
ANL dodało stały elektrolit. Jest na tyle twardy, że litowe dendryty się o niego kruszą. I na tyle porowaty, żeby jony litu mogły przezeń swobodnie wędrować. Instytucja nazywa go CPE, stałym elektrolitem polimerowo-ceramicznym. Z opisu wiemy, że został stworzony w oparciu o „stosunkowo tanie surowce w formie nanocząsteczek” (źródło).
Kluczowy tlen
W klasycznym ogniwie opartym na nad- i ponadtlenkach litu w każdym atomie tlenu zagospodarowany jest jeden lub dwa elektrony. W ogniwie stworzonym przez ANL pochodzący z powietrza tlen tworzy zwykły tlenek litu (Li2O), zagospodarowywane są aż cztery elektrony. Wyższa liczba atomów litu w stosunku do tlenu i większa liczba zaangażowanych elektronów to większa pojemność ogniwa.
Naukowcy twierdzą, że ich ogniwa działają w temperaturze pokojowej i z użyciem tlenu pochodzącego z powietrza, co jest absolutną podstawą w procesie komercjalizacji. Dotychczas stosowano zbiorniki ze sprężonym tlenem. To nie wszystko: prototypowe ogniwo wytrzymało 1 000 cykli pracy, tymczasem we wcześniejszych pracach już kilkadziesiąt cykli uznawano za prawdziwy sukces.
Badacze z ANL wyliczyli, że normalna pojemność takich ogniw to 1,2 kWh/kg, cztery razy więcej niż klasycznych współczesnych ogniw Li-ion.
Najlepszym uzupełnieniem artykułu jest komentarz Pana Tadeusza:
Jak się wczytać to wychodzi że aktualnie osiągnęli 685Wh/kg i te 1200Wh/kg to długofalowy cel.
To powiedziawszy to nadal imponujący wynik, bo oznacza że akumulator dający przyzwoity zasięg będzie ważył mniej więcej tyle, co blok silnika spalinowego.
Z ciekawostek Wh/l jest na podobnym poziomie co w aktualnie stosowanych akumulatorach.
Można go zalajkować TUTAJ.
Nota od redakcji Elektrowozu: WOW. Nawet jeśli na komercjalizację poczekamy do przyszłej dekady.
Nie przegap nowych treści, KLIKNIJ i OBSERWUJ Elektrowoz.pl w Google News. Mogą Cię też zainteresować poniższe reklamy:
