Czy kiedykolwiek zastanawialiście się, dlaczego wasz smartfon tak szybko się rozładowuje? Albo czemu samochody elektryczne wciąż nie osiągają zasięgów, które konkurowałyby z tradycyjnymi autami? Odpowiedź często tkwi w ograniczeniach współczesnych akumulatorów. Oto jednak irlandzcy naukowcy z University of Limerick twierdzą, że znaleźli sposób na przełamanie tych barier. Zespół specjalistów opracował bowiem pierwszy w pełni dwukationowy akumulator, który łączy jony litu i sodu w jednym systemie. To podejście, które do tej pory uważano za technicznie niemożliwe do zrealizowania, więc jeśli ich odkrycie sprawdzi się w praktyce, to mogłoby znacząco wpłynąć na rozwój elektroniki użytkowej i elektromobilności.
Dwa jony w jednym elektrolicie. Jak działa nowa technologia akumulatorowa?
Kluczem do sukcesu okazało się połączenie dwóch różnych rodzajów jonów w jednym elektrolicie. Nowatorskie rozwiązanie wykorzystuje sód jako podstawowy składnik, podczas gdy lit pełni funkcję swoistego wzmacniacza pojemności. Taka konfiguracja pozwala na wykorzystanie zalet obu materiałów jednocześnie, co przekłada się na lepsze parametry użytkowe. Podczas gdy tradycyjne akumulatory sodowo-jonowe osiągają pojemność właściwą około 297 mAh/g, nowy system dwukationowy podnosi ten wskaźnik do imponujących 605 mAh/g. Oznacza to ponad dwukrotny wzrost wydajności. Sekret tkwi we współdziałaniu kationów sodu i litu w nanodrutach germanu, co prowadzi do powstania nowej fazy materiałowej.
Po raz pierwszy pokazaliśmy, że akumulatory sodowo-jonowe mogą być “doładowane” poprzez połączenie sodu i litu w dominującym sodem elektrolicie dwukationowym – stwierdził Hugh Geaney, profesor nadzwyczajny chemii w University of Limerick.
Najciekawszym aspektem odkrycia jest powstanie wcześniej nieznanej fazy materiału oznaczonej jako LiNaGe₃. Ta termodynamicznie stabilna struktura nie była wcześniej opisana w literaturze naukowej, a badania obliczeniowe potwierdzają, że może ona odpowiadać za wyjątkowe właściwości całego systemu.
Zalety i wyzwania łączenia dwóch jonów w jednym elektrolicie
Procesy zachodzące w nowym akumulatorze różnią się zasadniczo od mechanizmów znanych z konwencjonalnych rozwiązań. Podczas ładowania i rozładowywania jony litu i sodu współdziałają, tworząc amorficzne fazy bogate w oba pierwiastki. Przewodność jonowa takiego elektrolitu osiąga wartość 1,28 mS/cm, co stanowi niemal dwukrotną poprawę w porównaniu z systemami wykorzystującymi wyłącznie sód.
Wprowadzając zarówno kationy litu, jak i sodu, faktycznie podwajamy pojemność akumulatora, która w typowym akumulatorze sodowo-jonowym byłaby niższa – Syed Abdul Ahad, stypendysta podoktorski Government of Ireland
Zespół opracował również nowatorski protokół chemicznej amorfizacji anod, który eliminuje konieczność czasochłonnego wstępnego cyklowania litowo-jonowego. To rozwiązanie może potencjalnie uprościć proces produkcyjny i obniżyć koszty wytwarzania, choć na potwierdzenie tych założeń przyjdzie nam jeszcze poczekać. Testy wytrzymałościowe wykazały, że akumulator zachowuje 80% początkowej pojemności po 1000 cyklach ładowania przy gęstości prądu 1 mA/cm². Spadek wydajności wynosi zaledwie 0,016% na cykl, co plasuje tę technologię wśród najbardziej obiecujących rozwiązań. System radzi sobie również z ekspansją objętościową, która stanowi problem wielu współczesnych akumulatorów. Szacunkowy 143% wzrost objętości na atom germanu jest kompensowany przez porowatą strukturę nanodrutów powstającą podczas cyklowania.
Czytaj też: Komputery kwantowe wreszcie wychodzą z laboratorium. EeroQ wykorzystuje zjawisko znane od 50 lat
Nowa technologia mogłaby pomóc w rozwiązaniu kilku kluczowych wyzwań stojących przed elektromobilnością. Zwiększona gęstość energii przekłada się bezpośrednio na potencjalnie większy zasięg pojazdów elektrycznych, co stanowi jeden z głównych czynników wpływających na decyzje zakupowe konsumentów. Równie istotne są kwestie środowiskowe. Akumulatory dwukationowe mogłyby ograniczyć wykorzystanie kobaltu – materiału problematycznego zarówno pod względem etycznym, jak i ekologicznym. Wydobycie tego pierwiastka często wiąże się z naruszaniem praw człowieka i znaczną degradacją środowiska naturalnego.
Testy konfiguracji pełnego ogniwa z wykorzystaniem katody FeS₂ przyniosły zachęcające rezultaty. System osiągnął początkową pojemność właściwą 358 mAh/g przy gęstości prądu 50 mA/g, a po 200 cyklach nadal dostarczał 166 mAh/g z retencją pojemności na poziomie około 70%. Dla producentów samochodów elektrycznych oznacza to możliwość zwiększenia zasięgu bez konieczności instalowania cięższych i większych pakietów baterii. Jest to szczególnie ważne dla segmentu samochodów miejskich, gdzie każdy zaoszczędzony kilogram ma znaczenie.
Perspektywy komercjalizacji i wielkie wyzwania
Za rozwojem technologii stoją Hugh Geaney z Departamentu Nauk Chemicznych i Instytutu Bernala oraz Syed Abdul Ahad, stypendysta podoktorski Government of Ireland. Współpraca z naukowcami z University of Birmingham umożliwiła im dokładne zbadanie mechanizmów działania nowego rozwiązania, a jeśli mowa o finansowaniu, to badania otrzymały wsparcie od Government of Ireland Postdoctoral Fellowship oraz programu Science Foundation Ireland’s Frontiers for the Future. Szczegółowe wyniki tej pracy doczekały się z kolei publikacji w prestiżowym czasopiśmie Nano Energy.
Czytaj też: Szukali go w kosmosie, a znaleźli na Ziemi. Wyjątkowy surowiec kosztuje 18,7 mln dol. za kg
Teraz zespół planuje rozszerzyć badania o nowe kombinacje materiałów, w tym eksperymenty z anodami na bazie krzemu oraz alternatywnymi parami jonowymi, takimi jak lit-magnez czy potas-lit. Te kierunki badań mogłyby otworzyć zupełnie nowe możliwości w dziedzinie magazynowania energii. Kluczowe znaczenie ma jednak opracowanie skalowalnych metod produkcji. Obecny protokół chemicznej amorfizacji wydaje się obiecujący, ale wymaga dalszych prac nad optymalizacją dla potrzeb przemysłowych. Sami naukowcy przyznają, że droga do komercjalizacji może być długa, bo technologia musi przejść szereg testów w warunkach przemysłowych oraz uzyskać odpowiednie certyfikaty bezpieczeństwa.
Warto zaznaczyć, że samo zestawienie litu z sodem to tylko wierzchołek góry lodowej, bo docelowy akumulator musiałby doczekać się wielu zmian, aby nowa chemia miała sens. Pierwszy obszar to elektronika zarządzająca. Układy BMS liczą dziś życie w litowych kategoriach. Dwukationowa konstrukcja wymusi inne krzywe kalibracji, nowe mapy stanu naładowania i odświeżone algorytmy prognozowania zużycia. Drugi wątek to katody i łańcuch dostaw. Jeżeli lit nie znika, a tylko przestaje być jedynym aktorem na scenie, to samo w sobie otwiera się drogę do mieszanek, które zmniejszają zależność od kobaltu i niklu. Dla producentów to konkret: mniej ryzyk geopolitycznych, łatwiejsze negocjacje cenowe, większa elastyczność w doborze surowców. Na tym zyskuje też Europa, która buduje własny ekosystem akumulatorowy.
Trzecia sprawa to anoda. Germanowe nanodruty są świetnym nośnikiem idei, ale nie da się ich pozyskiwać prosto z taśmy w gigafabrykach, jeśli koszt na kilogram nie spadnie do poziomu przemysłowych realiów. Naturalny kierunek to krzem lub cyna w porowatych strukturach, które znoszą pęcznienie i nie rozpadają się po setkach cykli. Czwarty element to termika i szybkość ładowania. Ogniwa, które wykorzystują dwa typy kationów, mogą inaczej rozkładać strumień jonów przy wysokich prądach. W praktyce oznacza to szansę na krótsze ładowanie bez brutalnego grzania i bez agresywnego starzenia się elektrolitu. Tu jednak wszystko rozbije się o powtarzalność wyników w podniesionej temperaturze i na mrozie, bo to te dwa światy zabijają najlepsze laboratoryjne wykresy. Na końcu jest jeszcze recykling. Dwukationowe ogniwa nie będą zbawieniem, jeśli utrudnią odzysk materiałów.
Ta historia nie kończy się dziś, ani jutro, ani pojutrze. Jeśli jednak w najbliższych latach zobaczymy w telefonach i laptopach stabilne 20-30 procent realnego zysku na czasie pracy bez zwiększania masy, będzie to właśnie efekt takich niepozornych sukcesów laboratoryjnych. Nie ma tu żadnej magii. Jest rzemiosło i cierpliwość. I to wystarczy, żeby zmienić codzienność użytkowników bardziej niż kolejny rekord w laboratorium. Jeśli branża zagra mądrze z anodą, BMS i recyklingiem, to mieszanka litu z sodem może stać się nie ciekawostką, tylko nową normą.