Baterie litowo-jonowe są dziś wszechobecne — od samochodów elektrycznych po smartfony. Nie oznacza to jednak, że są one najlepszym rozwiązaniem dla wszystkich obszarów zastosowań. TU Wien udało się opracować akumulator tlenowo-jonowy, który ma kilka ważnych zalet. Chociaż nie pozwala na uzyskanie tak dużej gęstości energii jak akumulator litowo-jonowy, jego pojemność nie zmniejsza się z czasem bezpowrotnie: można go regenerować, co pozwala na niezwykle długą żywotność.
Ponadto akumulatory tlenowo-jonowe mogą być produkowane bez rzadkich pierwiastków i są wykonane z materiałów niepalnych. Zgłoszenie patentowe na nowy pomysł na baterię zostało już złożone wraz z partnerami z Hiszpanii. Akumulator tlenowo-jonowy mógłby być doskonałym rozwiązaniem dla dużych systemów magazynowania energii, na przykład do magazynowania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych.
Materiały ceramiczne jako nowe rozwiązanie
„Od dłuższego czasu mamy duże doświadczenie z materiałami ceramicznymi, które można wykorzystać w ogniwach paliwowych”, mówi Alexander Schmid z Instytutu Technologii Chemicznych i Analityki na TU Wien. „To nasunęło nam pomysł zbadania, czy takie materiały mogą nadawać się również do produkcji baterii”.
Materiały ceramiczne, które badał zespół TU Wien, mogą absorbować i uwalniać podwójnie naładowane ujemnie jony tlenu. Po przyłożeniu napięcia elektrycznego jony tlenu migrują z jednego materiału ceramicznego do drugiego, po czym można je ponownie zmusić do migracji z powrotem, generując w ten sposób prąd elektryczny.
„Podstawowa zasada jest w rzeczywistości bardzo podobna do baterii litowo-jonowej”, mówi prof. Jürgen Fleig. „Ale nasze materiały mają kilka ważnych zalet”. Ceramika nie jest łatwopalna, więc wypadki pożarowe, które często zdarzają się w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, są praktycznie wykluczone. Ponadto nie ma potrzeby stosowania pierwiastków rzadkich, które są drogie lub można je wydobyć wyłącznie w sposób szkodliwy dla środowiska.
„Pod tym względem zastosowanie materiałów ceramicznych jest wielką zaletą, ponieważ można je bardzo dobrze dostosować” – mówi Tobias Huber. „Jedne trudne do zdobycia elementy można stosunkowo łatwo zastąpić innymi”. Prototyp baterii nadal wykorzystuje lantan – pierwiastek, który nie jest rzadki, ale też nie jest całkowicie powszechny. Ale nawet lantan ma zostać zastąpiony czymś tańszym, a badania nad tym już trwają. Kobalt lub nikiel, które są stosowane w wielu bateriach, nie są w ogóle używane.
Wysoka żywotność
Ale być może najważniejszą zaletą nowej technologii akumulatorów jest jej potencjalna długowieczność: „W przypadku wielu akumulatorów występuje problem polegający na tym, że w pewnym momencie nośniki ładunku nie mogą się już poruszać” — mówi Alexander Schmid. „Wtedy nie nadają się już do generowania prądu, pojemność baterii spada. Po wielu cyklach ładowania może to stać się poważnym problemem”.
Akumulator tlenowo-jonowy można jednak bezproblemowo regenerować: jeśli tlen jest tracony w wyniku reakcji ubocznych, można go po prostu zrekompensować tlenem z otaczającego powietrza.
Nowa koncepcja akumulatorów nie jest przeznaczona do smartfonów ani samochodów elektrycznych, ponieważ akumulatory tlenowo-jonowe osiągają tylko około jednej trzeciej gęstości energii, do której są przyzwyczajone akumulatory litowo-jonowe i działają w temperaturach od 200 do 400°C. Technologia ta jest jednak niezwykle interesująca w przypadku magazynowania energii.
„Jeśli potrzebujesz dużego magazynu energii do tymczasowego magazynowania energii słonecznej lub wiatrowej, akumulator tlenowo-jonowy może być doskonałym rozwiązaniem” – mówi Alexander Schmid. „Jeśli budujesz cały budynek pełen modułów magazynowania energii, mniejsza gęstość energii i podwyższona temperatura pracy nie grają decydującej roli. Ale szczególnie ważne byłyby tam mocne strony naszej baterii: długa żywotność, możliwość produkcji dużych ilości tych materiałów bez pierwiastków rzadkich oraz fakt, że te baterie nie stwarzają zagrożenia pożarowego”.