Ekstremalne testy wytrzymałościowe nowej baterii
Prototypowa bateria przeszła serię wymagających prób, które dla konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych zwykle kończą się katastrofą. Naukowcy celowo przebijali ją gwoździami, poddawali działaniu ognia, całkowicie zanurzali w wodzie, a także zginali i przecinali jej strukturę. W każdym z tych przypadków urządzenie zachowało pełną funkcjonalność.
Czytaj też: Nadprzewodzący german. Zmienili półprzewodnik w nadprzewodnik w niespodziewanym eksperymencie
Nie używamy akumulatorów litowo-jonowych z powodu wielu obaw dotyczących bezpieczeństwa w związku z łatwopalnością elektrolitów stosowanych w tego rodzaju technologii – zauważa Noé Arjona z CIMAV
Dodatkową zaletą jest stabilna praca w szerokim zakresie temperatur od 5 do 60 stopni Celsjusza bez zauważalnego spadku wydajności. To istotna przewaga nad obecnie dostępnymi rozwiązaniami, które często mają problemy w skrajnych warunkach pogodowych.
W Kanadzie macie ogromny problem z ładowaniem baterii w bardzo niskich temperaturach, na przykład w pojazdach elektrycznych. Nasza technologia nie ma tych samych problemów z bardzo niskimi ani bardzo wysokimi temperaturami – dodaje Arjona
Innowacyjna konstrukcja wykorzystująca tlen z powietrza
Receptą na sukces okazało się zupełnie nowe podejście do konstrukcji. Zamiast polegać na drogich i trudno dostępnych materiałach jak lit i kobalt, które znajdują się na liście surowców krytycznych, meksykańscy badacze postawili na tlen atmosferyczny oraz nikiel. To nie tylko obniża koszty produkcji, lecz dodatkowo minimalizuje negatywny wpływ na środowisko. Najważniejszym elementem konstrukcji jest arkusz węglowy zawierający pojedyncze atomy niklu pełniące funkcję katalizatora jednoatomowego. Taki wariant pozwala na radykalne zmniejszenie ilości potrzebnego metalu przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej wydajności. Dodatkowo zastosowanie żelowego elektrolitu polimerowego eliminuje ryzyko pożaru charakterystyczne dla płynnych elektrolitów używanych w tradycyjnych bateriach.
Badania mikroskopowe ujawniły ciekawą zależność: po wielokrotnych cyklach ładowania i rozładowania tworzą się pionowo ułożone nanostruktury cynku, które skutecznie zapobiegają powstawaniu dendrytów. To właśnie ten problem przez lata ograniczał rozwój baterii cynkowych. Wyniki laboratoryjne prezentują się zachęcająco. Bateria osiągnęła pojemność powierzchniową około 32 miliamperogodzin na centymetr kwadratowy i utrzymała stabilne działanie przez blisko 325 pełnych cykli ładowania-rozładowania. Maksymalna gęstość prądu rozładowania wyniosła 150 miliamperów na centymetr kwadratowy. Katalizator na bazie niklu wykazał nadnapięcie zaledwie 1,45 V przy reakcji wydzielania tlenu, przewyższając pod tym względem wzorcowy katalizator z tlenku irydu.
Potencjalne zastosowania i dalszy rozwój
Odporność na ekstremalne warunki czyni tę technologię interesującym kandydatem do zastosowań w pojazdach elektrycznych, systemach lotniczych oraz czujnikach zdalnych pracujących w trudnych środowiskach. Chodzi między innymi o urządzenia pomiarowe w regionach polarnych czy na pustyniach, które nie wymagają skomplikowanych systemów termoregulacji. Zespół z CIMAV pracuje również nad biodegradowalnymi komponentami, które po zakończeniu okresu użytkowania baterii mogłyby wzbogacać glebę i wspierać wzrost roślin.
Czytaj też: Perowskitowe panele słoneczne psują się zadziwiająco szybko. Wiemy już, dlaczego
Wyniki prac opublikowano w ACS Applied Materials & Interfaces. Jeśli dotychczasowe obietnice się spełnią, możemy obserwować interesujący kierunek rozwoju w dziedzinie magazynowania energii – bezpieczniejszy, bardziej ekonomiczny i przyjazny dla środowiska. Kluczowe będzie teraz to, czy meksykańskiemu zespołowi uda się utrzymać podobne parametry w większych formatach i przy niższych kosztach produkcji.