Prace nad zastąpieniem litu tańszymi pierwiastkami trwają. Chińscy naukowcy stworzyli pierwsze ogniwo wapniowo-powietrzne (Ca-air), które nie dość, że wytrzymało 700 cykli pracy w temperaturze pokojowej, to jeszcze ma gęstość energii o kilkadziesiąt procent wyższą niż typowe ogniwa litowo-jonowe. Problemy? Cykli pracy nadal jest za mało a do utrzymania stabilności ogniwa wykorzystano produkt trudny w masowej produkcji i drogi: węglowe nanorurki.
Obiecujące postępy w ogniwach Ca-air
Zacznijmy od krótkiego wprowadzenia: ogniwa X-air, w których pracują metal X i tlen z powietrza, są obiecujące ze względu na możliwość osiągnięcia wysokich gęstości energii. Ponadto w założeniu powinny być tanie, dlatego X-em musi być pierwiastek dostępny, łatwy w wydobyciu. Lit (Li) spełnia te warunki umiarkowanie, choć ostatnio tanieje i odkrywamy kolejne jego złoża. Co innego glin (Al) czy wapń (Ca), które znajdują się odpowiednio na trzecim i piątym miejscu pod względem popularności w skorupie ziemskiej (lit = 33. miejsce; źródło).
Problemem ogniw X-air od zawsze była stabilność. W przypadku ogniw wapniowo-powietrznych uzyskiwano raptem kilka cykli pracy, potem dochodziło do wewnętrznych zwarć. Same ogniwa musiały być utrzymywane w temperaturze powyżej 75 stopni Celsjusza, ponieważ w niższych temperaturach jony wapnia przemieszczały się zbyt leniwie.
Naukowcy z Uniwersytetu Fudan chwalą się, że rozwiązali obydwa te problemy. Ich ogniwa Ca-air pracują w temperaturze pokojowej i wytrzymują 700 cykli pracy. Ale żeby osiągnąć ten poziom stabilności, konieczne było zastosowanie włókien z nanorurek, w których zamknięto metaliczny wapń. Włókna opleciono kolejnymi, tym razem pełniącymi rolę katody – w nich dochodzi do reakcji wapnia z tlenem. W roli elektrolitu użyto znanego z ogniw Li-ion rozpuszczalnika (TFSI) z solami wapnia (źródło; za paywallem).
Węglowa nanorurka – schemat budowy; rysunek mocno ilustracyjny (c) Michael Strock / Wikipedia
O ile sam elektrolit nie wydaje się szczególnie skomplikowany, o tyle uwięzienie atomów wapnia w nanorurkach brzmi jak rozwiązanie drogie i trudne w komercjalizacji. Wyniki są jednak obiecujące, bo nagle udało się pokonać bariery, które dotychczas wydawały się trudne do przeskoczenia. To nie wszystko: umiarkowana degradacja przy ponad 700 cyklach pracy jest wynikiem interesującym, a gęstość energii na poziomie 500 mAh/g to rezultat dwukrotnie lepszy niż w typowych ogniwach Li-ion.
Nanorurki są produktem elastycznym, dlatego naukowcy widzą możliwość zastosowania swoich ogniw Ca-air w tkaninach, by zasilać kolejną generację urządzeń przenośnych. Prototyp wszyto nawet we fragment materiału. Do komercjalizacji na większą skalę (magazyny energii, baterie w pojazdach) może dojść wtedy, gdy nauczymy się masowo i tanio produkować nanorurki z wapniem i splatać je ze sobą.
