Kilka dni temu opisywaliśmy temat „inżyniera-wynalazcy”, „ojca ósemki dzieci”, „weterana marynarki wojennej”, który „wynalazł baterie wykorzystujące aluminium i tajemniczy elektrolit”. Opracowanie tematu uznaliśmy za nieszczególnie wiarygodne – również za sprawą źródła, Daily Mail – ale kwestia wymaga uzupełnienia. Jeśli bowiem Brytyjczyk zajmował się bateriami aluminiowo-powietrznymi, to one… naprawdę istnieją i faktycznie mogą oferować zasięgi idące w tysiące kilometrów.
Opisywany przez Daily Mail wynalazca, „ojciec ósemki dzieci”, został przedstawiony jako człowiek, który stworzył coś zupełnie nowego (nietoksyczny elektrolit) i już toczy rozmowy na temat sprzedaży swojego pomysłu. Tymczasem temat ogniw aluminiowo-powietrznych jest opracowywany od dobrych kilkunastu lat.
Ale zacznijmy od początku:
Baterie aluminiowo-powietrzne – żyją intensywnie, umierają młodo
Spis treści
Baterie aluminiowo-powietrzne (Al-air) wykorzystują reakcję aluminium z tlenem oraz z cząsteczkami wody. W reakcji chemicznej (wzory można znaleźć w Wikipedii) powstaje wodorotlenek aluminium, a docelowo metal wiąże się z tlenem tworząc tlenek aluminium. Napięcie dość szybko spada, a gdy cały metal przereaguje, ogniwo przestaje działać. W odróżnieniu od baterii Li-ion, ogniw Al-air nie można naładować i wykorzystać powtórnie.
Są jednorazowe.
Owszem, to problem – ale ogniwa mają pewną bardzo ważną cechę: gigantyczną gęstość przechowywanej energii w stosunku do masy. Wynosi ona do 8 kWh/kg. Tymczasem aktualny poziom najlepszych ogniw litowo-jonowych to 0,3 kWh/kg.
Tesla Model 3 Long Range z zasięgiem 1 700+ km? Dałoby się zrobić
Popatrzmy na te liczby: 0,3 kWh/kg dla najlepszych współczesnych ogniw litowych kontra 8 kWh/kg dla ogniw aluminiowych – lit wypada prawie 27 razy gorzej! Nawet jeśli uwzględnić, że w eksperymentach baterie Al-air osiągnęły gęstość „zaledwie” 1,3 kWh/kg (źródło), to ciągle jest to ponad cztery razy lepiej niż ogniwa litowe!
Nie trzeba być zatem wielkim rachmistrzem, żeby wyliczyć, że z baterii Al-air Tesla Model 3 Long Range osiągnęłaby na baterii prawie 1 730 kilometrów zasięgu zamiast obecnych 518 km dla Li-ion. To niewiele mniej niż jest z Warszawy do Rzymu i mniej niż z Warszawy do Paryża, Genewy czy Londynu!
Niestety, przy ogniwach Li-ion po przejechaniu 500 kilometrów Teslę wpinamy do ładowarki na czas, który sugeruje nam samochód i jedziemy dalej. Przy ogniwach Al-air kierowca musiałby zjechać na stację, gdzie konieczna byłaby wymiana pakietu baterii. Lub poszczególnych jej modułów.
I choć aluminium jako pierwiastek jest tanie, konieczność każdorazowego przygotowywania ogniwa od nowa skutecznie zabija zyski wynikające z wyższych zasięgów. Problemem jest również korozja aluminium, która ma miejsce nawet wtedy, gdy bateria nie jest wykorzystywana – ale ten problem udało się rozwiązać przechowując elektrolit w osobnym pojemniku i przepompowując go, gdy zachodzi potrzeba użycia baterii Al-air.
Wpadła na to firma Phinergy:
Baterie aluminiowo-powietrzne Alcoa i Phinergy – nadal jednorazowe, ale przemyślane
Istnieją już baterie Al-air gotowe do zastosowań komercyjnych, ba, są nawet wykorzystywane w zastosowaniach militarnych. Stworzyła je firma Alcoa wraz z firmą Phinergy. W tych układach elektrolit znajduje się w osobnym pojemniku, a pojedyncze ogniwa to płytki (kartridże) wkładane od góry do swoich przegródek. Wygląda to tak:
Bateria Al-air (aluminiowo-powietrzne) izraelskiej firmy Alcoa. Zwróć uwagę na rurki na boku urządzenia, które służą do przepompowywania elektrolitu (c) Alcoa
Uruchomienie baterii polega na wpompowaniu elektrolitu przez rurki (prawdopodobnie grawitacyjnie, skoro bateria pełni rolę zapasową). Ponowne „ładowanie” baterii polega na tym, że wyjmuje się z niej zużyte kartridże, a wkłada świeże.
Właściciel samochodu woziłby ze sobą zatem ciężki układ, żeby któregoś dnia w razie potrzeby go wykorzystać. A gdy zajdzie potrzeba ładowania, auto musi trafić do serwisu na wymianę przez osobę z odpowiednimi kwalifikacjami.
W stosunku do ogniw Li-ion, zaletą ogniw Al-air jest niska cena produkcji, brak konieczności stosowania kobaltu i zredukowana emisja dwutlenku węgla podczas wytwarzania. Wadą pozostaje jednorazowość oraz konieczność przetwarzania zużytych kartridży:
https://www.youtube.com/watch?v=YsubYXg5LBw
Podsumowanie, czyli dlaczego skrytykowaliśmy Daily Mail
Ogniwa paliwowe aluminiowo-powietrzne (Al-air) już istnieją, bywają wykorzystywane, a prace nad nimi toczyły się dość intensywnie w ostatnich kilkunastu latach. Jednak wobec rosnącej gęstości energii ogniw Li-ion oraz wobec możliwości wielokrotnego ich ładowania, temat przygasł – szczególnie w zastosowaniach motoryzacyjnych, w których regularna wymiana milionów baterii to dość karkołomne zadanie.
Podejrzewamy, że opisywany przez Daily Mail wynalazca prawdopodobnie niczego nie wynalazł, tylko samodzielnie skonstruował ogniwo aluminiowo-powietrzne. Jeśli, jak opisuje, pił na pokazach elektrolit, to zapewne wykorzystał w tym celu czystą wodę:
Największym problemem baterii aluminiowo-powietrznych nie jest bowiem to, że nie istnieją – bo istnieją. Kłopot z nimi to jednorazowość oraz wysokie koszty wymiany. Inwestycja w takie ogniwo prędzej czy później straci ekonomiczny sens na tle baterii Li-ion, bo „ładowanie” wymaga wizyty w warsztacie i wykwalifikowanego robotnika.
W Polsce są około 22 miliony samochodów. Według danych GUS rocznie przejeżdżamy średnio 12,1 tysiąca kilometrów. Jeśli zatem założyć, że wymiana baterii Al-air odbywałaby się średnio co 1 210 kilometrów (dla uproszczonego rachunku), każdy z tych samochodów musiałby 10 razy w roku odwiedzić warsztat. Każdy z tych samochodów odwiedzałby warsztat średnio co 36,5 dnia.
To daje 603 tysiące samochodów czekających na wymianę baterii KAŻDEGO DNIA roku, także w niedziele! A przecież taka wymiana wymaga odessania elektrolitu, podmiany modułów, sprawdzenia całości. Ktoś też musiałby te zużyte moduły zbierać z całego kraju, żeby je później przetwarzać.
Teraz rozumiecie, skąd wzięła się nasza krytyka?
Nota od redakcji www.elektrowoz.pl: we wspomnianym artykule Daily Mail precyzuje się, że mowa jest o „ogniwie paliwowym”, a nie o „baterii”. Uczciwie trzeba jednak dodać, że „ogniwa paliwowe” mieszczą się w obowiązującej w Polsce definicji „baterii” (sprawdź np. TUTAJ). Jednak o ile baterię Al-air można (i trzeba) nazywać ogniwem paliwowym, o tyle baterii Li-ion nazywać w ten sposób nie można.
Ogniwo paliwowe działa na zasadzie dostarczonych z zewnątrz substancji, w tym bardzo często tlenu, który reaguje z innym pierwiastkiem tworząc jakiś związek i wydzielając energię. Mamy więc do czynienia z reakcją utleniania zachodzącą mniej gwałtownie niż przy spalaniu, ale szybciej niż podczas typowej korozji. Odwrócenie procesu wymaga najczęściej zupełnie innego rodzaju urządzenia.
Z kolei w baterii Li-ion dochodzi do wędrówki jonów między elektrodami – nie ma zatem mowy o żadnym utlenianiu.
Nota 2 od redakcji www.elektrowoz.pl: śródtytuł „żyją intensywnie, umierają młodo” pochodzi z jednego z opracowań na ten temat. Spodobał nam się, bo dobrze opisuje specyfikę ogniw Al-air
