Akumulatory przyszłości

Akumulator Li-ion ma wiele zalet. Długo zachowuje pojemność, nie ma efektu pamięciowego, można nadać mu niemal dowolny kształt. Poza tym jest łatwy w produkcji i bezpieczny w użytkowaniu tak długo, jak jest szczelny i nie przegrzany.

Niestety w przeciwieństwie do układów scalonych nie podwaja swojej wydajności co ok. dwa lata tak jak procesory czy pamięć RAM. Po 10 latach rozwoju smartfony mają kilkukrotnie większą pamięć, moc obliczeniową i rozdzielczość ekranu, a pojemność akumulatora zwiększyła się w tym czasie nieznacznie. Pierwszy iPhone (2007) miał akumulator 1400 mAh. Aktualne modele, iPhone 7 i 7 Plus, mają baterie 1960 i 2900 mAh.

Wysokie ceny akumulatorów Li-ion ograniczają także rozwój odnawialnych źródeł energii. Jeśli chce się zasilać dom za pomocą ogniw słonecznych i wiatraka, niezbędny jest magazyn energii do wykorzystania w nocy albo gdy przestaje wiać. Tymczasem ze względu na cenę ogniw jeden domowy akumulator Tesla Powerwall kosztuje ponad 6000 dol. Kupując go, trzeba się też liczyć z faktem, że akumulatory Li-ion zużywają się z każdym cyklem ładowanie-rozładowanie (choć wolniej niż inne ogniwa).

Na badania przeznacza się ogromne środki, dzięki czemu na horyzoncie zaczynają pojawiać się rozwiązania, które sprawią, że smartfony, notebooki i samochody elektryczne będą ładowane szybciej i rzadziej. Wdrożenie nowych technologii produkcji akumulatorów potrwa lata, dlatego w pierwszej kolejności należy spodziewać się udoskonalania obecnej technologii Li-ion. Pokazuje to zresztą już rozpowszechniona technologia szybkiego ładowania.

Wysiłki producentów są skoncentrowane na obniżeniu kosztów produkcji ogniw. Według analityków z firmy konsultingowej McKinsey cena akumulatorów o pojemności 1 kWh, która w 2010 roku wynosiła ok. 1000 dol., spadła póki co do ok. 220 dol. Elon Musk, szef Tesli, twierdzi, że do 2030 roku koszty spadną do 100 dol za 1 kWh. Równocześnie o ok. 5 proc. rocznie zwiększa się pojemność ogniw. Szef Panasonica, największego producenta ogniw, uważa, że przy obecnej technologii można zwiększyć ich pojemność jeszcze o 20–30 proc.

Krzemowe elektrody
Szansą na zwiększenie pojemności akumulatorów Li-ion jest wykonanie elektrody (anody) z krzemu (Si) zamiast z używanego dzisiaj grafitu (C). Przy takiej samej wadze anoda krzemowa pozwala przechowywać 10 razy więcej energii niż w przypadku elektrody grafitowej. Problemem jest zwiększająca się objętość krzemu, gdy wiąże on jony Li+ podczas ładowania. Grafitowa anoda zwiększa swoją objętość o 10 proc, podczas gdy krzemowa o ponad 300 proc. Naukowcy szukają sposobu ominięcia tej wady.

Ogniwa stałe
Innym kierunkiem w rozwoju akumulatorów jest dążenie do eliminacji półpłynnego, szybko parującego elektrolitu, który w razie uszkodzenia ogniwa może doprowadzić do przegrzania, zwarcia i zapłonu baterii. Obecnie opracowywane technologie zastępują ciecz plastikiem, który w razie uszkodzenia akumulatora nie powoduje wybuchu. Zespół prof. Johna Goodenougha, 94-letniego dziś twórcy technologii Li-ion, opisał eksperymentalną baterię, która wykorzystuje szklany elektrolit, który pozwala zwiększyć pojemność akumulatorów o 300 proc.

Płynny metal i Wirnik
Startup Ambri opracował technologię tworzenia akumulatorów z elektrodami z płynnych metali: magnezu i antymonu. Rolę elektrolitu pełni w nich woda morska. Te urządzenia wielkości kontenera na śmieci mają działać niezawodnie przez 15 lat. Firma Amber Kinetics tworzy baterię, wewnątrz której zamiast związków chemicznych jest koło zamachowe podwieszone w próżni na potężnym magnesie, by zminimalizować tarcie. Silnik elektryczny może rozpędzić je, gdy otrzymuje energię w ciągu dnia, by móc oddać ją wieczorem.

Akumulatory Li-ion zostały opracowane przez chemika prof. Johna Goodenougha na Uniwersytecie Oksfordzkim w latach 70. Działające ogniwo zostało zademonstrowane w 1980 roku. Jako pierwsza w 1991 roku zaczęła produkować je firma Sony, co umożliwiło rozwój elektroniki użytkowej. Obecnie na świecie produkowane są ogniwa o mocy 28 GWh rocznie, w 2020 r. produkcja ma wynosić 170 GWh rocznie. Dwie trzecie ogniw powstaje w Chinach, czwartym producentem na świecie jest Polska.

Relatywnie słaba wydajność akumulatorów oraz wciąż wysokie koszty ich produkcji spowalniają także rozwój samochodów elektrycznych, ograniczając ich zasięg oraz radykalnie podnosząc cenę w porównaniu z samochodami spalinowymi. Na przykład Tesla 3, pierwszy elektryczny samochód kierowany do przeciętnego użytkownika, który właśnie trafił do masowej produkcji, jest oferowany ze standardowym akumulatorem o pojemności 60 kWh (350V). To równowartość ok. 170 tys. mAh. Taka pojemność zapewnia zasięg zaledwie 350 km, czyli połowę tego, ile może przejechać auto spalinowe. Sam akumulator od Tesli będzie kosztował mniej więcej tyle, ile klasyczne auto o podobnych rozmiarach, co oczywiście odbija się na cenie samochodu elektrycznego. Najtańsza Tesla 3 kosztuje aż 35 tys. dol, co w polskich warunkach (z podatkami) wynosi ok. 160 tys. zł.

Typowe ogniwo Li-ion składa się z warstw folii (katody, izolatora i anody) zwiniętych w rulon zatopiony w elektrolicie i zamknięty w szczelnym cylindrze.

Budowa
Akumulatory przechowują energię w formie chemicznej. Działają dzięki reakcji utleniania i redukcji, która powoduje przepływ prądu między elektrodami. Typowy akumulator Li-ion ma dwie elektrody – katodę wykonaną z tlenku litu oraz anodę z grafitu. Całość jest zanurzona w elektrolicie, który umożliwia rozpuszczanie i przepływ jonów litu między elektrodami. Ostatnim elementem konstrukcji jest bariera oddzielająca elektrody. Ta warstwa jest porowata, tak aby umożliwić przemieszczanie się jonów Li+, ale zapobiegać przepływowi elektronów, tak by nie doszło do zwarcia. Elektrony przepływają zewnętrznym obwodem, do którego podłącza się zasilanie oraz urządzenie korzystające z akumulatora.

Ładowanie
Po podłączeniu akumulatora do źródła prądu rozpoczyna się chemiczny proces rozpuszczania tlenków litu w katodzie i następuje migracja jonów Li+ do anody, gdzie przytwierdzają się one, tworząc wiązanie chemiczne. Wraz z dodatnimi jonami Li+ do anody przepływają elektrony, które gromadzą się tam razem z jonami litu. Dzięki temu akumulator może przechowywać ładunek elektryczny.

Rozładowywanie
Podczas rozładowywania akumulatora, czyli w czasie korzystania ze smartfona lub laptopa, jony Li+ przemieszczają się za pośrednictwem elektrolitu do katody, odtwarzając tam związek tlenku litu. Uwalniane w procesie elektrony przepływają poprzez obwód elektryczny, więc można wykorzystać je do zasilania urządzenia.