Nauja akumuliatorių gamybos technologija žada iš esmės pakeisti elektromobilius – nuo jų kainos iki įkrovimo greičio.
Čikagos universiteto inžinieriai nustatė, kad atsisakius toksiškų skystų mišinių (srutų) akumuliatorių gamyboje galima sukurti galingesnį ir ilgaamžiškesnį elektrodą.
Naujoji technika paremta tirpiklių nenaudojančiu sausu procesu, kuriuo formuojama tvirtesnė elektrodų struktūra.
„Ekonominiai, aplinkosauginiai ir visuomeniniai veiksniai buvo pagrindinė jėga, stumianti sausų elektrodų technologiją į priekį“, – sakė šio tyrimo pirmasis autorius profesorius Minghao Zhang.
„Mūsų darbas parodė, kad sausasis metodas ne tik suteikia šiuos privalumus, bet ir pagerina paties akumuliatoriaus veikimą. Akumuliatorius tampa atsparesnis, galima pagaminti storesnį elektrodą su geresniu laidumu, be to, jis geriau veikia esant aukštai įtampai – visa tai gana netikėta.“
Aukštos įtampos stabilumas
Kiekvienas akumuliatoriaus elektrodas sudarytas iš trijų pagrindinių komponentų: aktyviosios medžiagos energijai kaupti, anglies pagrindo priedų elektros laidumui užtikrinti ir rišiklių, veikiančių kaip struktūriniai „klijai“.
Įprastai šiandieninė akumuliatorių pramonė naudoja vadinamąjį srutų metodą, kai elektrodų medžiagos sumaišomos su toksiškais tirpikliais, užnešamos ant folijos ir džiovinamos didžiulėse, daug energijos naudojančiose krosnyse.
Nors tai – pramoninis standartas, šis procesas yra brangus, aplinkai kenksmingas ir tampa vis mažiau efektyvus, kai elektrodai storinami.
Norėdami tai išspręsti, gamintojai vis labiau krypsta į sausąjį procesą, kuriame visiškai atsisakoma skystų tirpiklių. Taip gaunamas pigesnis, ekologiškesnis ir lengviau pritaikomas dideliu mastu būdas gaminti anodus ir katodus, kurie maitina elektromobilius.
„Sausas elektrodas – tai naujos kartos, pažangiausia ličio jonų akumuliatorių technologija“, – pabrėžė Zhang.
„Elektrodų gamyba vadinamuoju srutų procesu yra ne tik sudėtinga, bet ir kelia daug aplinkosauginių problemų. Dėl to visos didžiosios šios srities kompanijos stengiasi pakeisti srutų metodą visiškai sausu metodu“, – pridūrė jis.
Netikėto našumo padidėjimo esmė – anksčiau neatrastas „sinerginis efektas“.
Įprastame akumuliatoriuje anglies priedai ir rišikliai buvo laikomi atskiromis, tarpusavyje beveik nesąveikaujančiomis sudedamosiomis dalimis. Tačiau taikant sausąjį procesą Zhang komanda aptiko unikalią cheminę sąveiką tarp anglies priedų ir rišiklių.
Ši sąveika sukuria pranašesnį laidų tinklą, todėl akumuliatorius tampa ne tik galingesnis, bet ir stabilesnis – tiek struktūriškai, tiek chemiškai.
„Nustatėme, kad šalutinės reakcijos esant aukštai įtampai kyla iš anglies priedo, nes ši sudedamoji dalis yra labai reaktyvi. Tačiau dėl šio sinerginio efekto rišiklis, pats savaime nereaktyvus, padengia arba iš dalies padengia anglies paviršių. Taip sumažėja anglies reaktyvumas ir šalutinės reakcijos esant aukštai įtampai“, – aiškino Zhang.
„Todėl akumuliatorius gali puikiai veikti aukštos įtampos sąlygomis, patirdamas tik labai menkas šalutines reakcijas“, – pridūrė jis.
Artėjant prie benzino papildymo greičio
Tokiu būdu pagamintas elektrodas yra gerokai atsparesnis, todėl jame galima sukaupti daugiau energijos, nesusiduriant su įprastai drėgnuoju būdu apdorotų medžiagų trapumu.
Ši pažanga gali smarkiai paskatinti elektromobilių rinkos plėtrą: pigesni, patvaresni ir greitai įkraunami akumuliatoriai pašalintų paskutines masinio elektromobilių įsisavinimo kliūtis.
Be to, tai reiškia mažiau gamybos atliekų, mažesnes gamybos sąnaudas automobilių gamintojams ir galų gale – prieinamesnes elektromobilių kainas vartotojams.
„Šis tyrimas ne tik priartina mus prie greitai įkraunamų, itin efektyvių, galingų elektromobilių akumuliatorių, bet ir reikšmingai prisideda prie fundamentinių mokslo žinių plėtros“, – pabrėžė profesorė „Y. Shirley Meng“.
Kitas komandos žingsnis – dar labiau optimizuoti elektrodų mikrostruktūrą taip, kad ličio jonai galėtų judėti akumuliatoriuje taip greitai, jog įkrovimo trukmė taptų panaši į tradicinio automobilio degalų papildymo laiką.
