Spis treści
Świat elektromobilności od lat wstrzymuje oddech w oczekiwaniu na baterie ze stałym elektrolitem (solid-state batteries). Mają być bezpieczniejsze, lżejsze i oferować zasięgi, o jakich dzisiejsze „litowo-jonówki” mogą tylko pomarzyć. Jednak droga do ich masowej produkcji jest wyboista, a inżynierowie co rusz napotykają na fizyczne bariery. Jedną z najbardziej tajemniczych przeszkód był do tej pory niezrozumiały opór wewnętrzny, który dławił wydajność tych ogniw. Dziś, dzięki współpracy niemieckich i japońskich naukowców, wreszcie wiemy, co dokładnie spowalnia przepływ energii i jak to wygląda.
Święty Graal z problemami
Baterie ze stałym elektrolitem są często nazywane „świętym graalem” branży motoryzacyjnej. Eliminacja ciekłego, łatwopalnego elektrolitu na rzecz ciała stałego ma zrewolucjonizować rynek. Niestety, w praktyce technologia ta boryka się z problemami wieku dziecięcego. Jednym z nich jest zjawisko, które do tej pory było trudne do zmierzenia i jeszcze trudniejsze do wyeliminowania.
Mowa o tak zwanym efekcie ładunku przestrzennego. To zjawisko fizyczne, które zachodzi na styku materiałów wewnątrz ogniwa. Do tej pory naukowcy wiedzieli, że „coś” tam jest i stawia opór, ale nikt nie potrafił precyzyjnie określić skali tego problemu. Wyniki badań różniły się diametralnie w zależności od przyjętej metody. Teraz zespół z niemieckiego Instytutu Badań Polimerów Maxa Plancka (MPI-P) we współpracy z japońskimi uniwersytetami rzucił na ten temat nowe światło.
Bateria jest jak pompa, która się zatyka
Aby zrozumieć wagę tego odkrycia, trzeba zejść do poziomu atomowego. Rüdiger Berger z MPI-P używa prostej analogii: „Bateria jest rodzajem pompy”. W jej wnętrzu poruszają się jony, czyli naładowane atomy. Ten ruch musi być zrównoważony przepływem elektronów na zewnątrz, co generuje prąd zasilający silnik samochodu.
Inne w podobnym temacie
Problem pojawia się w momencie migracji jonów wewnątrz struktury ciała stałego. Naukowcy odkryli, że na wewnętrznych granicach materiałów (interfejsach) tworzy się specyficzna warstwa ładunku przestrzennego. Działa ona jak niewidzialna ściana lub korek – odpycha inne nadciągające jony. „Ta warstwa ładunku tworzy dodatkowy opór, a tym samym straty wewnątrz baterii” – wyjaśniają badacze w publikacji dla prestiżowego magazynu „ACS Nano”. To właśnie te straty sprawiają, że teoretycznie doskonała bateria w praktyce nie osiąga zakładanej mocy.
Cieńsza niż bańka mydlana
Najnowsze badania przyniosły konkretne liczby, które do tej pory były sferą domysłów. Niemiecko-japoński zespół ustalił, że to niepożądane zjawisko koncentruje się przede wszystkim przy elektrodzie dodatniej. To tam tworzy się bariera energetyczna.
Co zaskakujące, warstwa ta jest niesłychanie cienka. Ma grubość mniejszą niż 50 nanometrów. Dla porównania – to mniej niż grubość ścianki bańki mydlanej w jej najcieńszym miejscu. Mimo tak mikroskopijnych rozmiarów, jej wpływ na działanie całego układu jest znaczący. Badania wykazały, że ta subiektywnie niewielka strefa odpowiada za około siedem procent całkowitego oporu baterii.
W świecie inżynierii wysokich wydajności, gdzie walczy się o każdy ułamek procenta sprawności, siedem procent to przepaść. Co więcej, warstwa ta nie jest stała – zachowuje się dynamicznie, zmieniając swoje właściwości w zależności od stopnia naładowania ogniwa oraz rodzaju użytego elektrolitu.
Jak zajrzano do wnętrza pracującej baterii?
Sukces badaczy polega nie tylko na samym odkryciu, ale na metodzie, jakiej użyli. Wcześniejsze szacunki innych zespołów badawczych były rozbieżne, ponieważ brakowało narzędzi do obserwacji tego zjawiska w czasie rzeczywistym. Zespół pod kierownictwem Bergera zastosował dwie zaawansowane techniki mikroskopowe: mikroskopię sił sondy Kelvina oraz analizę reakcji jądrowych.
Naukowcy zbudowali modelową baterię cienkowarstwową i dosłownie „przekroili ją”, aby zajrzeć do środka. Używając niezwykle precyzyjnej igły w mikroskopie sił sondy Kelvina, byli w stanie skanować przekrój baterii. Pozwoliło to na obserwację potencjałów elektrycznych w czasie rzeczywistym i zrozumienie, jak napięcie wpływa na lokalne struktury. Z kolei analiza reakcji jądrowych umożliwiła precyzyjne wykrycie miejsc, w których na styku z elektrodą dodatnią gromadzi się lit.
Taro Hitosugi z Uniwersytetu w Tokio podkreśla, że obie te techniki są nowością w badaniach nad bateriami i mogą posłużyć w przyszłości do rozwiązywania innych zagadek elektromobilności.
Co to oznacza dla przyszłości EV?
Odkrycie naukowców z Instytutu Maxa Plancka to nie tylko ciekawostka akademicka. To mapa drogowa dla inżynierów projektujących ogniwa przyszłości. Skoro wiemy już dokładnie, gdzie tworzy się „zator” (przy elektrodzie dodatniej), jak gruby jest (50 nanometrów) i ile energii marnuje (7 procent oporu), możemy zacząć z tym walczyć.
Badanie daje solidne podstawy do modyfikacji struktur elektrod lub poszukiwania nowych materiałów, które zminimalizują ten efekt. Zrozumienie wroga to połowa sukcesu w walce o wydajność. Jeśli uda się zniwelować efekt ładunku przestrzennego, baterie ze stałym elektrolitem staną się jeszcze bardziej wydajne, będą się szybciej ładować i mniej nagrzewać.
Rozwój sytuacji w laboratoriach takich jak to pokazuje, że rewolucja w magazynowaniu energii to proces ciągły. Choć wciąż czekamy na komercyjny debiut „solid-state” w popularnych modelach aut, to właśnie takie fundamentalne badania przybliżają nas do momentu, w którym zasięg 1000 km na jednym ładowaniu stanie się standardem, a nie wyjątkiem.
Jak myślicie, czy baterie ze stałym elektrolitem faktycznie wyprą obecną technologię litowo-jonową w tej dekadzie, czy to wciąż melodia odległej przyszłości? Dajcie znać w komentarzach, czy wierzycie w szybki przełom.
Dołącz do dyskusji