Każdy element ogniwa kosztuje, więc wyeliminowanie go obniża koszty produkcji, o ile tylko ogniwo po tej operacji działa. Naukowcy z Pritzker School of Molecular Engineering (Uniwersytet w Chicago, UChicago) oraz Departament of Chemical and Nano Engineering (Uniwersytet Kalifornijski w San Diego, UC San Diego) stworzyli właśnie ogniwo, które nie ma anody, zamiast litu wykorzystuje tani i powszechnie dostępny sód, ma stały elektrolit i już teraz wytrzymuje kilkaset cykli pracy. Komercjalizacja? Najwcześniej w przyszłej dekadzie.
Wybitnie tanie ogniwa Na-ion do magazynów energii
W typowych ogniwach litowych anoda to węgiel lub węgiel domieszkowany krzemem. Cały świat eksperymentuje jednak z ogniwami Li-metal, w których anoda buduje się z aktywnego metalu w trakcie ładowania i „znika” w momencie rozładowywania, bo powinny być one tańsze w produkcji i oferować wyższe gęstości energii. Żeby rozwiązać problem wzrostu metalicznych dendrytów między anodą i katodą, obie elektrody oddziela się przegrodą wykonaną z ciała stałego, stałym elektrolitem (ang. solid-state electrolyte). Zapobiega on potencjalnemu uszkodzeniu ogniwa i przy okazji pozwala na ładowanie ze znacznie wyższymi mocami.
Wspomniani we wstępie badacze stworzyli coś, co jest ogniwem solid-state Na-metal, z sodem, bez anody i stałym elektrolitem. Jak mówią, to pierwszy taki przypadek w historii, gdy w jednym zestawie udało się połączyć wszystkie te trzy cechy. Takie ogniwo ma szansę być tańsze niż Na-ion za sprawą braku anody, tańsze niż Li-metal przez użycie sodu a nie litu, oraz obsługiwać wysokie moce ładowania.
(a) Różne schematy budowy ogniw: z węglową anodą, anodą ze stopów, bez anody. (b) Wyznaczone pojemności ogniw Na-ion z katodami w lewym górnym rogu i anodami zbudowanymi w oparciu o (od lewej) węgiel, bizmut, antymon, cynę, oraz bez anody. (c) Różne niepożądane i pożądane zjawiska w ogniwach elektrochoemicznych
Warstwa zbierająca ładunek (elektroda, ang. current collector), na której buduje się sodowa anoda, została wykonana z proszku aluminiowego, ciała stałego, które „potrafi płynąć jak ciecz” i w którym zanurzony jest stały elektrolit (źródło). W typowym ogniwie Li-ion czy Na-ion sytuacja jest dokładnie odwrotna, to elektrolit oblewa obie elektrody i ułatwia przepływ jonów. Proszek aluminiowy został skompresowany z użyciem ciśnienia, ale zachował cieczopodobny, „mokry” kontakt z elektrolitem.
Takie ogniwo Na-metal jest obecnie w stanie wytrzymać do kilkuset cykli pracy, informują badacze na łamach Nature (źródło). Bez anody i z katodami opartymi na tlenku chromu osiąga ono gęstości energii zbliżone do typowych ogniw Li-ion z ciekłym elektrolitem. W przyszłości ogniwo mogłoby zostać wykorzystane do produkcji magazynów energii zapewniających jej zapas na dni czy nawet tygodnie.
Grayson Dreysher, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, jest głównym autorem pracy w Nature na temat nowych ogniw (link powyżej)
