Paradoks szybkiego ładowania
Szybkie ładowanie baterii zwykle uznaje się za ryzykowne – to skrót prowadzący do degradacji ogniw. Jednak zespół badaczy z Georgia Institute of Technology wykazał coś zupełnie odwrotnego: w przypadku akumulatorów cynkowo-jonowych intensywne ładowanie wzmacnia strukturę baterii, wydłużając jej żywotność. To odkrycie może zrewolucjonizować sposób magazynowania energii w domach, szpitalach czy sieciach energetycznych.
Profesor nadzwyczajny Hailong Chen z George W. Woodruff School of Mechanical Engineering wraz z zespołem udowodnił, że ładowanie baterii cynkowo-jonowych wyższymi prądami wydłuża ich czas pracy. Wyniki badań, opublikowane w Nature Communications, podważają dotychczasowe założenia projektowania akumulatorów i wskazują kierunek ku bezpieczniejszej, tańszej alternatywie wobec technologii litowo-jonowej.
Dlaczego cynk zamiast litu?
Baterie cynkowo-jonowe mają kilka istotnych przewag nad technologią litowo-jonową. Cynk jest jednym z najpowszechniejszych metali na świecie i można go wydobywać w wielu krajach, co czyni go łatwo dostępnym surowcem. Jest także znacznie tańszy od litu i nie wymaga stosowania rzadkich materiałów, co przekłada się na niższy koszt produkcji. Dodatkową zaletą jest bezpieczeństwo – w przeciwieństwie do litu cynk nie jest materiałem palnym i nie stwarza ryzyka samozapłonu. Co więcej, jest mniej toksyczny i łatwiejszy w recyklingu, dzięki czemu stanowi rozwiązanie bardziej przyjazne środowisku.
Do czasu odkrycia zespołu Chen’a akumulatory cynkowo-jonowe miały jedną poważną wadę. Podczas ładowania powstawały dendryty – ostre struktury metaliczne, które mogły ostatecznie doprowadzić do zwarcia baterii.
- Odkryliśmy, że szybsze ładowanie w rzeczywistości hamuje powstawanie dendrytów zamiast je przyspieszać – powiedział Chen. – To zupełnie inne zachowanie niż to, które obserwujemy w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
Przy takim podejściu cynk nie tworzy dendrytów, lecz odkłada się w postaci gładkich, kompaktowych warstw – bardziej przypominających równo ułożone książki niż rozszczepione odłamki. Struktura ta nie tylko zapobiega zwarciom, ale także wydłuża żywotność akumulatora.
- To stoi w sprzeczności z powszechnym przekonaniem, że szybkie ładowanie skraca żywotność baterii – dodał Chen. – Nasze odkrycie poszerza rozumienie zjawiska szybkiego ładowania i może na nowo zdefiniować sposób projektowania akumulatorów oraz zakres ich zastosowań.
Ograniczenia i kolejne kroki
Osiągnięcie dotyczy głównie anody, która dzięki nowej metodzie pracuje znacznie dłużej. Teraz naukowcy koncentrują się na katodzie, aby cała bateria była stabilna i niezawodna w dłuższej perspektywie. Zespół eksperymentuje także z domieszkami materiałów, które mogą dodatkowo zwiększyć trwałość akumulatorów cynkowo-jonowych.
Nowe narzędzia badawcze
Do uzyskania wyników badacze stworzyli unikalne narzędzie pozwalające śledzić w czasie rzeczywistym zachowanie cynku przy różnych szybkościach ładowania. Dzięki możliwości równoległego testowania wielu próbek jednocześnie, udało się przyspieszyć odkrycia i uchwycić zjawiska, które w klasycznych testach (badanie jednej zmiennej) pozostałyby niezauważone.
- Nie tylko sprawdzaliśmy, czy bateria działa, lecz obserwowaliśmy, jak w trakcie ładowania ewoluuje struktura materiału – podkreśla Chen.
Dzięki opracowanemu narzędziu on i jego zespół po raz pierwszy wykazali, dlaczego szybkie ładowanie prowadzi do tworzenia gładkich, uporządkowanych warstw cynku zamiast niebezpiecznych igieł.
Perspektywy zastosowań
Badacze nie stworzyli zupełnie nowej baterii, lecz zakwestionowali dotychczasowe założenia, a uzyskane wyniki wskazały zupełnie nową ścieżkę rozwoju. Odkrycie to może odmienić przyszłość magazynowania energii, obejmując zarówno stabilizację sieci energetycznych, jak i gromadzenie energii odnawialnej w gospodarstwach domowych czy zapewnienie bezpiecznego zasilania awaryjnego dla szpitali i infrastruktury krytycznej. W obliczu rosnącego zapotrzebowania na czystą energię, problemów związanych z łańcuchami dostaw litu oraz obaw dotyczących bezpieczeństwa akumulatorów litowych, alternatywy takie jak baterie cynkowo-jonowe zyskują szczególne znaczenie. Zdaniem Chen’a technologia ta może być gotowa do wdrożenia komercyjnego w ciągu około pięciu lat.
Źródło: Georgia Tech
