Akumulatory ze stałym elektrolitem - czy przyniosą przełom?

Srebrny jubileusz z pewnością dowodzi tego, że akumulatory Li-Ion zyskały dużą popularność. Zawdzięczają ją licznym zaletom; m.in. mają dużą gęstość energii w porównaniu do innych i nie występuje w nich efekt pamięciowy. Ponadto samorozładowanie tych akumulatorów jest niewielkie, a trwałość duża, sięgająca tysięcy cykli pracy.

Z drugiej strony jednak można by zadać pytanie, czy popularność akumulatorów Li-Ion nie wynika przypadkiem przede wszystkim z braku konkurencji? Alternatywa poszukiwana jest bowiem od lat, niestety bez większych sukcesów.

Potrzeba matką wynalazku

Ostatnio starania podejmowane w tym kierunku nasiliły się. W nowych zastosowaniach bowiem możliwości akumulatorów litowo-jonowych, wpływające na właściwości użytkowe zasilanych przez nie urządzeń oraz ich cenę, okazują się niewystarczające. Dotyczy to zwłaszcza urządzeń mobilnych oraz samochodów elektrycznych.

Chodzi przede wszystkim o użytkowników smartfonów, którzy narzekają na konieczność częstego doładowywania akumulatorów, które trwa dużo czasu. Z kolei producenci elektroniki użytkowej woleliby, żeby akumulatory nie miały tak dużego wpływu na wagę, rozmiary i cenę produkowanych przez nich urządzeń. Obawy niedoszłych właścicieli samochodów elektrycznych doczekały się natomiast już nawet specjalnego określenia w języku angielskim.

MIT obaliło mit

Chodzi o range anxiety. Jest to obawa przed tym, że ilość energii zmagazynowanej w akumulatorze pojazdu nie będzie wystarczająca, aby można było z niego na co dzień swobodnie korzystać. Jednym słowem kierowców przeraża wizja rozładowania się samochodu w trakcie jazdy, zanim dotrą oni do celu swojej podróży lub stacji ładowania, zwłaszcza jeżeli tam, gdzie mieszkają, sieć takich punktów nie jest rozbudowana. Range anxiety jest według badań najczęstszą przyczyną rezygnacji z zakupu auta elektrycznego.

Tutaj jako ciekawostkę warto jednak dodać, że zdaniem naukowców lęk ten jest całkowicie nieuzasadniony. Badacze z MIT przeanalizowali bowiem, na przykładzie różnych miast w Stanach Zjednoczonych, różne trasy i sposoby korzystania z samochodów i udowodnili, że w większości przypadków zasięg dostępnych aut elektrycznych w codziennym użytkowaniu okazał się w zupełności wystarczający.

Konkurencja

Najpoważniejszym "zagrożeniem" dla ugruntowanej przez lata pozycji akumulatorów litowo-jonowych są akumulatory typu all-solid-state. W porównaniu do tych pierwszych w założeniach powinny one mieć wiele zalet. Dzięki temu akumulatory tego typu mogłyby rozwiązać w zasadzie większość "problemów", z którymi borykają się obecnie użytkownicy akumulatorów litowo-jonowych.

Główna różnica między akumulatorami litowo-jonowymi używanymi obecnie a ich potencjalnymi następcami polega na tym, że w tych pierwszych elektrolit występuje w stanie ciekłym, natomiast w drugich w stałym. Jeśli chodzi o zasadę działania, nie ulega ona modyfikacji. Sama jednak zmiana stanu skupienia substancji, która przewodzi prąd elektryczny między elektrodami akumulatora, będzie miała ogromny wpływ na jego najważniejsze parametry użytkowe.

Akumulatory all-solid-state

W porównaniu do akumulatorów litowo-jonowych te typu all-solid-state mają się charakteryzować szybszym (nawet kilkakrotnie) ładowaniem, większą (także kilkakrotnie) gęstością energii, co pozwoli na zmniejszenie ich rozmiarów, zwiększoną żywotnością (sięgającą 10 lat) i mniejszym samorozładowaniem. Będą również bezpieczniejsze dla użytkowników, nie będzie bowiem w ich przypadku zagrożenia zapalenia się lub wybuchu akumulatora. Szerszy ma być ponadto zakres temperatur ich pracy.

Różne firmy i instytuty badawcze od lat już badają rozmaite materiały, które mogłyby w przyszłości zastąpić ciekłe elektrolity w akumulatorach all-solid-state. Wybór nie jest prosty. Materiałów, które są brane pod uwagę, jest bardzo dużo, a każdy z nich wymaga gruntownego przebadania.

Pomoże sztuczna inteligencja

Aby ułatwić oraz przyspieszyć sobie pracę, przede wszystkim przez wyeliminowanie elementu przypadkowości na etapie wyboru elektrolitu do testów, naukowcy ze Stanford University, opierając się na wynikach wcześniej przeprowadzonych badań, opracowali modele predykcyjne. Korzysta z nich specjalne oprogramowanie, w którym zaimplementowano algorytmy z dziedziny sztucznej inteligencji i uczenia się maszynowego.

Na podstawie wspomnianych modeli "uczy się" ono odróżniać materiały, których właściwości wskazują na to, że potencjalnie sprawdzą się one jako stały elektrolit w akumulatorze, od tych, które mają podobne cechy, jak wcześniej przebadane materiały, które już zostały odrzucone. Na podobnej zasadzie działają algorytmy rozpoznawania twarzy, które uczą się ich rozróżniania po obejrzeniu kilku przykładów.

W ten sposób "przesianych" zostało kilkanaście tysięcy materiałów na bazie litu. Spośród nich wybrano zaledwie 21(!) najbardziej obiecujących.

Przykład - akumulatory Iliki

Rys. 1. Cienkowarstwowy akumulator firmy Ilika

Niektórzy producenci prezentują już prototypy akumulatorów ze stałym elektrolitem, niebędącym polimerem. Przykładem jest firma Ilika. Zbudowała ona akumulator litowo-jonowy, w którym elektrolitem jest ceramiczny przewodnik jonowy. Ilika ma w swojej ofercie obecnie dwa modele takich urządzeń. Jednym z nich jest Stereax M250.

Najważniejsze cechy tych akumulatorów to: rozmiary 10×10 mm, grubość <750 μm (w tym grubość podłoża 650 μm, a dostępne są jeszcze cieńsze), waga 270 mg, zakres temperatur pracy od -20 do +100ºC, napięcie wyjściowe 3,5 V, pojemność 250 μAh, czas naładowania do 90% - 10 minut, liczba cykli ładowania i rozładowania >5000, prąd szczytowy 5 mA.

Dzięki małemu samorozładowaniu akumulator może być ładowany przez źródła energii odnawialnej, na przykład wibracji albo promieniowania słonecznego. Dzięki dużemu prądowi szczytowemu z kolei może on z powodzeniem zasilać transmisję danych w sieciach Bluetooth Low Energy. Powyższe cechy, w połączeniu z małymi rozmiarami, sprawiają, że M250 może być przykładowo wykorzystywany do zasilania czujników w aplikacjach Internetu Rzeczy.

Toyota vs. Elon Musk

Technologia akumulatorów ze stałym elektrolitem jest także rozwijana pod kątem ich użycia w samochodach elektrycznych. O planach wprowadzenia do sprzedaży takich urządzeń niedawno poinformowała na przykład Toyota.

Nieoficjalnie termin ich realizacji wyznaczono na 2020 rok. Informacja ta wywołała wielkie poruszenie w mediach. Czy zapowiedzi te się ziszczą, przekonamy się wkrótce. Warto jednak zauważyć, że entuzjazmu dziennikarzy w tym temacie nie podziela szef Tesli, Elon Musk, który zapytany o to, czy w związku z zapowiedzią Toyoty możemy spodziewać się przełomu, zareagował sceptycznie.

Monika Jaworowska