Laboratorium ds. magazynowania i konwersji energii pod kierownictwem prof. Y. Shirley Meng z Uniwersytetu w Chicago stworzyło pierwszą na świecie baterię sodową bez anody.
Dzięki tym badaniom LESC — projekt będący efektem współpracy Wydziału Inżynierii Molekularnej Pritzkera na Uniwersytecie w Chicago oraz Wydziału Inżynierii Chemicznej i Nanoinżynierii im. Aiiso Yufeng Li z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego — przybliżył nam bardziej niż kiedykolwiek możliwość stworzenia niedrogich, szybko ładujących się akumulatorów o dużej pojemności do pojazdów elektrycznych i magazynowania energii w sieci energetycznej.
„Chociaż istniały już wcześniej baterie sodowe, półprzewodnikowe i bezanodowe, nikomu do tej pory nie udało się połączyć tych trzech pomysłów” — powiedział Grayson Deysher, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, pierwszy autor nowego artykułu opisującego prace zespołu.
Artykuł, opublikowany dzisiaj w Nature Energy, przedstawia nową architekturę baterii sodowej ze stabilnym cyklem przez kilkaset cykli. Dzięki usunięciu anody i użyciu niedrogiego, obfitego sodu zamiast litu, ta nowa forma baterii będzie bardziej przystępna cenowo i przyjazna dla środowiska w produkcji. Dzięki innowacyjnej konstrukcji półprzewodnikowej bateria będzie również bezpieczna i wydajna.
Praca ta stanowi zarówno postęp naukowy, jak i niezbędny krok w celu wypełnienia luki w zakresie skalowalności baterii, która jest potrzebna, aby umożliwić światowej gospodarce odejście od paliw kopalnych.
„Aby Stany Zjednoczone mogły działać przez godzinę, musimy wyprodukować jedną terawatogodzinę energii” – powiedział Meng. „Aby zrealizować naszą misję dekarbonizacji naszej gospodarki, potrzebujemy kilkuset terawatogodzin baterii. Potrzebujemy więcej baterii i potrzebujemy ich szybko”.
Zrównoważony rozwój i sód
Lit powszechnie używany do baterii nie jest aż tak powszechny. Stanowi około 20 części na milion skorupy ziemskiej, w porównaniu do sodu, który stanowi 20 000 części na milion.
Niedobór ten, w połączeniu ze wzrostem popytu na baterie litowo-jonowe do laptopów, telefonów i pojazdów elektrycznych, spowodował gwałtowny wzrost cen, przez co potrzebne baterie stały się niedostępne.
Złoża litu są również skoncentrowane. „Trójkąt Litowy” Chile, Argentyny i Boliwii obejmuje ponad 75% światowych zasobów litu, a inne złoża znajdują się w Australii, Karolinie Północnej i Nevadzie. To przynosi korzyści niektórym krajom bardziej niż innym w dekarbonizacji potrzebnej do walki ze zmianą klimatu.
„Globalne działania wymagają współpracy w celu uzyskania dostępu do materiałów o krytycznym znaczeniu” – powiedział Meng.
Wydobycie litu jest również szkodliwe dla środowiska, zarówno w wyniku stosowania kwasów przemysłowych do rozkładu rudy górniczej, jak i w wyniku bardziej powszechnego wydobycia solanki, w ramach którego ogromne ilości wody są pompowane na powierzchnię w celu jej wyschnięcia.
Sód, powszechny w wodzie oceanicznej i górnictwie sody kalcynowanej, jest z natury bardziej przyjaznym dla środowiska materiałem akumulatorowym. Badania LESC uczyniły go również potężnym.
Innowacyjna architektura
Aby stworzyć baterię sodową o gęstości energii baterii litowej, zespół musiał wynaleźć nową architekturę baterii sodowej.
Tradycyjne baterie mają anodę do przechowywania jonów podczas ładowania baterii. Podczas użytkowania baterii jony przepływają z anody przez elektrolit do kolektora prądu (katody), zasilając urządzenia i samochody po drodze.
Baterie bez anody usuwają anodę i przechowują jony na elektrochemicznym osadzeniu metalu alkalicznego bezpośrednio na kolektorze prądu. Takie podejście umożliwia wyższe napięcie ogniwa, niższy koszt ogniwa i zwiększoną gęstość energii, ale niesie ze sobą własne wyzwania.
„W każdym akumulatorze bez anody musi być dobry kontakt między elektrolitem a kolektorem prądu” — powiedział Deysher. „To zazwyczaj bardzo proste, gdy używa się płynnego elektrolitu, ponieważ płyn może płynąć wszędzie i zwilżyć każdą powierzchnię. Stały elektrolit nie jest w stanie tego zrobić”.
Jednakże te ciekłe elektrolity tworzą warstwę zwaną stałą fazą elektrolitu, a jednocześnie stopniowo zużywają materiały aktywne, zmniejszając z czasem użyteczność akumulatora.
Ciało stałe, które płynie
Zespół zastosował nowatorskie, innowacyjne podejście do tego problemu. Zamiast używać elektrolitu otaczającego kolektor prądu, stworzyli kolektor prądu otaczający elektrolit.
Stworzyli swój obecny kolektor z proszku aluminiowego, substancji stałej, która może płynąć jak ciecz.
Podczas montażu akumulatora proszek był zagęszczany pod wysokim ciśnieniem w celu utworzenia stałego kolektora prądu, jednocześnie utrzymując kontakt z elektrolitem przypominający ciecz. Dzięki temu możliwe było uzyskanie tanich i wysoce wydajnych cykli, co pozwoli na rozwój tej przełomowej technologii.
„Baterie sodowe ze stałym elektrolitem są zazwyczaj postrzegane jako technologia odległej przyszłości, ale mamy nadzieję, że niniejszy artykuł może pobudzić dalsze działania w obszarze sodu, pokazując, że rzeczywiście może on działać dobrze, a w niektórych przypadkach nawet lepiej niż wersja litowa” — powiedział Deysher.
Ostateczny cel? Meng wyobraża sobie przyszłość energetyczną z różnymi czystymi, niedrogimi opcjami baterii, które przechowują energię odnawialną, skalowanymi tak, aby odpowiadały potrzebom społeczeństwa.
Meng i Deysher złożyli wniosek patentowy na swoje odkrycie w Biurze Innowacji i Komercjalizacji Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego.
Finansowanie: Finansowanie na wsparcie tej pracy zapewniła National Science Foundation w ramach grantu Partnerships for Innovation (PFI) nr 2044465