Logika inżynierii materiałowej do kosza? Stworzyli wyjątkowy akumulator wbrew wszelkim zasadom

W laboratoriach berlińskiej uczelni dokonano czegoś, co jeszcze niedawno wydawałoby się sprzeczne z logiką inżynierii materiałowej. Zamiast dążyć do idealnej struktury krystalicznej (dotychczasowego świętego Graala projektantów akumulatorów), badacze postawili na kontrolowany chaos. Okazuje się, że to właśnie celowe zaburzenia mogą otworzyć drzwi do akumulatorów ładujących się znacznie szybciej i służących o wiele dłużej.

Celowy, ale kontrolowany chaos w atomowej strukturze akumulatorów

Zespół z Humboldt-Universität zu Berlin zaprezentował radykalnie nowatorską metodę tworzenia materiałów na anody. Podczas gdy tradycyjne rozwiązania opierały się na perfekcyjnie uporządkowanych strukturach, niemieccy badacze świadomie wprowadzili nieład w układzie atomowym. Tłumaczą, że tradycyjne materiały anodowe w akumulatorach wykorzystują uporządkowane struktury krystaliczne, które zapewniają przewidywalne ścieżki dla transportu jonów. Jednak wysoki stopień uporządkowania wiąże się z kosztem sztywności strukturalnej, a nawet może ograniczać mobilność jonów i prowadzić do spadku wydajności przy szybkim ładowaniu. Ten właśnie aspekt akumulatorów badacze postanowili odwrócić.

Czytaj też: Coś złego dzieje się w Europie. Politycy muszą reagować, bo inaczej…

Zdjęcie poglądowe

Wykorzystując takie materiały jak strukturalnie zaburzone tlenki niobu i wolframu czy kontrolowanie amorfizowany niobian żelaza, naukowcy postawili na niedoskonałość jako zaletę. Tego typu odwrócenie zasad do góry nogami może przynieść przełom w inżynierii materiałowej, bo cały sekret sukcesu opiera się na zwiększaniu przewodnictwa jonowego poprzez tworzenie dodatkowych ścieżek dyfuzji. Z kolei krótkozasięgowe, uporządkowane struktury łańcuchowe działają jak swego rodzaju szkielet, oferując liczne miejsca do magazynowania jonów. Tego typu “celowa niedoskonałość może być potężnym narzędziem w projektowaniu materiałów”, bo narodzony z niej innowacyjny mechanizm nie tylko przyspiesza ładowanie, ale także otwiera nowe możliwości w zakresie magazynowania energii.

Czytaj też: Wielkie odejście od ropy? Nie będą użerać się z wodorem i postawią na inne paliwo

Testy potwierdziły, że litowo-jonowe ogniwa z nowymi anodami zachowują znaczną część wydajności nawet po 1000 cykli ładowania i rozładowania. Jeszcze lepsze wyniki osiągnięto w przypadku akumulatorów sodowo-jonowych, które wykazały stabilną pracę przez ponad 2600 cykli z minimalną utratą pojemności. To pierwsze zastosowanie niobianu żelaza o strukturze kolumbitu jako materiału anodowego w akumulatorach sodowych. Tak się z kolei składa, że technologia sodowa zyskuje na znaczeniu jako ekologiczna alternatywa dla rozwiązań litowych. Sód jest znacznie bardziej dostępny i tańszy niż lit, co może obniżyć koszty produkcji akumulatorów o 30-50%. Jako że ceny ogniw litowo-jonowych oscylują między 2000 a 8000 zł za kWh, tańsze rozwiązania sodowe mogłyby znacząco obniżyć koszty elektromobilności.

Czytaj też: Przegrzewające się panele słoneczne. Rozwiązali fotowoltaiczny problem i oniemieli przez wyniki

Połączenie zaburzonych anod litowych i amorficznych anod sodowych otwiera nowe możliwości dla pojazdów elektrycznych i magazynowania energii odnawialnej. Technologia mogłaby znaleźć zastosowanie w magazynowaniu energii z farm wiatrowych i fotowoltaicznych, systemach awaryjnego zasilania czy mobilnych stacjach ładowania. Chociaż same wyniki badań są imponujące, to realne wdrożenie tej technologii wymaga pokonania kilku przeszkód. Skalowanie procesu produkcyjnego i optymalizacja kosztów będą kluczowe, zanim rozwiązanie trafi na rynek. Naukowcy pracują nad tym, ale droga od laboratorium do masowej produkcji bywa długa.