Elektryczny świt, który nastał za wcześnie
Na ulicach Stanów Zjednoczonych w okolicach 1900 roku więcej było aut na prąd niż tych z silnikami benzynowymi. Edison, dostrzegając ten trend, pracował nad rozwiązaniem głównej bolączki tamtejszych pojazdów, czyli akumulatorami. Uważał, że przyszłość leży w ogniwach niklowo-żelazowych, które obiecywały zasięg rzędu 160 kilometrów i wyjątkową trwałość. Niestety, rzeczywistość zweryfikowała te obietnice. Propozycja Edisona okazała się w praktyce zbyt wolna w ładowaniu i niewystarczająco wydajna, podczas gdy technologia spalinowa robiła gigantyczne postępy. Wizja elektrycznej motoryzacji na długo trafiła do lamusa.
Czytaj też: Autonomiczne drony przejmują inwentaryzację w przemysłowych zamrażarkach
Dziś naukowcy potrafią manipulować materią w skali atomowej. To właśnie ta zdolność pozwoliła im wrócić do zapomnianego pomysłu i nadać mu zupełnie nowy wymiar. Zespół badawczy stojący za najnowszymi doniesieniami stworzył prototypową baterię niklowo-żelazową, której proces ładowania nie trwa godzin, a jedynie kilka sekund. Co więcej, ogniwo wytrzymało w testach ponad 12 000 pełnych cykli, co przekłada się na ponad trzy dekady codziennego użytkowania. To zupełnie inna liga niż oferował oryginalny wynalazek. Klucz do sukcesu tkwi w naśladowaniu natury, czyli w biomimetyce. Naukowcy inspirowali się procesem powstawania kości, gdzie specjalne białka pełnią rolę szablonów dla osadzających się minerałów. W praktyce wykorzystano białka będące odpadem przy produkcji wołowiny. Połączono je z tlenkiem grafenu, a następnie poddano kontrolowanemu ogrzewaniu. W efekcie powstało unikalne rusztowanie dla maleńkich skupisk metalu.
Jak powietrze i atomy tworzą wydajny magazyn energii?
Wdrożona metoda polega na mieszaniu dostępnych składników i ich termicznej obróbce. Finalny produkt to tak zwany aerożel, który w 99 procentach składa się z powietrza. Ta niezwykle porowata struktura jest jednak kluczowa. Osadzone w niej nanoklastry metalu są nieprawdopodobnie małe, ponieważ ich średnica nie przekracza pięciu nanometrów. Dla porównania, od 10 do 20 tysięcy takich cząstek ustawionych obok siebie osiągnęłoby grubość pojedynczego ludzkiego włosa. Taka ekstremalna miniaturyzacja oznacza, iż niemal każdy atom metalu aktywnie uczestniczy w reakcjach chemicznych podczas pracy baterii. Stąd bierze się jej imponująca szybkość ładowania i rozładowania oraz ogromna trwałość.
Ludzie często myślą o nowoczesnych narzędziach nanotechnologicznych jako o skomplikowanych i zaawansowanych technologicznie, ale nasze podejście jest zaskakująco proste i bezpośrednie. Po prostu mieszamy powszechne składniki, stosujemy delikatne etapy podgrzewania i używamy szeroko dostępnych surowców – tłumaczy Maher El-Kady, współautor badania
Praktyczne zastosowania nowej-starej koncepcji
Czy to oznacza koniec ery akumulatorów litowo-jonowych w naszych urządzeniach? Na razie na pewno nie. Obecny prototyp nie dorównuje im pod względem ilości energii, jaką może zmagazynować w małej objętości. Naukowcy wskazują jednak na inne, bardzo konkretne zastosowania, gdzie priorytetem jest żywotność i szybkość, a nie miniaturyzacja.
Czytaj też: Era elektronów dobiega końca? Kolejny dowód na to, że przyszłe procesory będą świecić a nie grzać
Pierwszym z nich są farmy fotowoltaiczne. Tutaj ogniwa mogłyby przechowywać nadwyżki prądu wygenerowane w ciągu słonecznego dnia, by oddać je do sieci wieczorem. Perspektywa działania takiego magazynu przez 30 lat bez wymiany to mocny argument ekonomiczny. Drugim obszarem są centra danych, dla których ciągłość zasilania jest sprawą krytyczną. Baterie, które mogą przejąć obciążenie w mgnieniu oka i wytrzymać dziesiątki lat w gotowości, są idealnym kandydatem na rozwiązanie awaryjne. Zespół odpowiedzialny za dotychczasowe postępy nie spoczywa na laurach i testuje już zastąpienie niklu i żelaza innymi metalami oraz poszukuje tańszych, niezwiązanych z przemysłem mięsnym, zamienników dla białek.