211service.com
Nowe baterie piankowe obiecują szybkie ładowanie i większą pojemność
Pomimo miliardów dolarów inwestycji i uruchomienia kilku znanych startupów, sektor energetyczny nadal stoi przed podstawowym i pozornie nierozwiązywalnym wyzwaniem: bardzo trudno jest przechowywać duże ilości energii w sposób kompaktowy, długotrwały i tani . Rosnąca liczba badaczy ma nadzieję rozwiązać ten problem za pomocą tak zwanych baterii trójwymiarowych, które mogą przybierać różne formy, ale mają porowate, gąbczaste struktury, w przeciwieństwie do tradycyjnej formy 2-D: cienkich warstw metalu w płynnym roztworze elektrolitu w pudełku (patrz Rozciągliwa, podatna na zginanie i bardziej wydajna bateria i baterie do inteligentnego zegarka: najtańsza forma zasilania sieciowego? ).
W ciągu ostatnich kilku miesięcy startup nazwał Bateria Prieto , wydzielona z Colorado State University w Fort Collins, udało się wyprodukować to, co założycielka Amy Prieto nazywa pierwszą prawdziwą baterią 3D, którą można ładować i rozładowywać, i która będzie posiadać ładunek — innymi słowy, spełnia podstawowe wymagania konwencjonalnej baterii. Baterie 3D mogą być tańsze w produkcji, szybsze w ładowaniu, bezpieczniejsze, mniejsze i mniej toksyczne dla środowiska niż baterie konwencjonalne. Co więcej, ponieważ mogą być lekkie, elastyczne i mają niemal nieograniczoną różnorodność kształtów, mogą oferować niewyobrażalne wcześniej zastosowania do przechowywania energii.
Bateria półprzewodnikowa 3-D Prieto reprezentuje dwa radykalne odejście od dzisiejszych baterii: z czego są wykonane i jak są zrobione. W laboratorium Prieto, tuż poniżej podnóża Gór Skalistych, we wgłębieniu stołu znajduje się seria ośmiu płytkich, wypełnionych wodą pojemników. Obok linii znajduje się stojak z rolkami pianki miedzianej o różnej gęstości. Pianka jest surowcem do produkcji akumulatorów, na którym powlekana jest galwanicznie anoda wykonana z antymonku miedzi (miedź zmieszana z antymonem). Pianka jest tak porowata, że składa się głównie z powietrza, ale mały fragment może zawierać ogromną powierzchnię. Zwiększenie pola powierzchni zmniejsza odległość, jaką muszą pokonać jony, zwiększając w ten sposób gęstość mocy i energii.
Gdy pianka zostanie pokryta anodą, jest powlekana polimerowym elektrolitem, który zapewnia fizyczną barierę, przez którą mogą się poruszać jony (ale nie elektrony). Na koniec nakładana jest katoda w postaci ciemnej, atramentowej zawiesiny. Produktem końcowym jest bateria piankowa o średnicy kilku cali i grubości arkusza papieru. Zamknięte w plastikowym woreczku akumulatory Prieto mogą szybko się ładować, przechowywać do dwa razy więcej energii na jednostkę objętości niż zwykłe akumulatory i nie mają niefortunnej skłonności do przegrzewania się akumulatorów litowo-jonowych.
Pomysł wykorzystania materiałów porowatych do komponentów akumulatorów nie jest nowy: wiele konwencjonalnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych wykorzystuje na przykład piankę ołowiową w anodzie. Koncepcja całej baterii wykonanej z porowatą architekturą wewnętrzną zrodziła się z pracy Debry Rolison, chemika badawczego w Laboratorium Badawczym Marynarki Wojennej, która kieruje sekcją Zaawansowanych Materiałów Elektrochemicznych. Rolison rozpoczęła badania nad nowymi materiałami katalizatora do ogniw paliwowych na początku lat 90., aw 1998 zaproponowała baterię złożoną z aerożeli węglowych – porowatych materiałów, do których można włożyć materiał katody, aby stworzyć baterię 3D. Kiedy po raz pierwszy przedstawiła ten pomysł, mówi, że 99 procent ludzi myślało, że straciłem głowę. Jednak wielu badaczy kontynuuje tę koncepcję — niektórzy z nowatorskimi materiałami, takimi jak grzyby portbella oraz celuloza z pulpy drzewnej .
Technologia akumulatorów 3D, taka jak Prieto, mówi Max Hamedi, naukowiec z Harvardu, który pracuje nad akumulatorami z elastycznej pianki, wykonanymi z pulpy drzewnej, może przewyższyć każdą baterię, którą można zbudować w systemach 2D. Ta praca właśnie teraz eksploduje.
Prieto od samego początku dążył do prostoty, używając zwykłych materiałów w tanim procesie produkcyjnym, który można łatwo skalować. Pierwszym produktem firmy nie jest pełna bateria, ale zamienna miedziana anoda piankowa, która zastąpi anody grafitowe w konwencjonalnych bateriach. We wrześniu Prieto ogłosiło partnerstwo z Intelem, które umożliwia start-upowi czerpanie z doświadczenia grupy technologicznej producenta chipów. Pierwsze anody zamienne Prieto mogą pojawić się na rynku pod koniec 2016 roku, mówi jego założyciel, a kompletna bateria może pojawić się do 2018 roku.
Są oczywiście inne firmy, które wprowadzają innowacje w akumulatorach półprzewodnikowych. Sakti3 pracuje na litowo-jonowych bateriach półprzewodnikowych, które są od połowy do jednej trzeciej wielkości konwencjonalnych systemów, z taką samą pojemnością magazynowania energii (patrz Przełomowa bateria zyskuje duże wsparcie ). Seeo, kalifornijski start-up skupiający się na akumulatorach półprzewodnikowych z anodami litowo-metalowymi, został niedawno przejęty przez Boscha, jednego z głównych dostawców branży motoryzacyjnej (patrz „A Prototype Battery Could Double the Range of Electric Cars”). Żadna z tych firm nie wykorzystuje architektury pianki 3D.
Dostrzegamy potencjał technologii Prieto, która może przyczynić się do innowacji w urządzeniach ubieralnych, w których baterie półprzewodnikowe o dużej gęstości energii mogą umożliwić nowe, atrakcyjne zastosowania, mówi Mark Pontarelli, dyrektor generalny wewnętrznego inkubatora przedsiębiorczości Intela. Miedzianą piankę można wykorzystać do tworzenia baterii, które precyzyjnie wypełniają puste przestrzenie w projekcie, zapewniając dłuższy czas pracy baterii bez powiększania rozmiaru produktu.
Jak wskazuje Pontarelli, pierwsze zastosowania prawdopodobnie będą niewielkie – na przykład w systemach do noszenia i elektronice użytkowej – ale nie ma wyraźnego powodu, dla którego baterie piankowe nie mogłyby działać w pojazdach elektrycznych, a pewnego dnia w systemach przechowywania w skali sieciowej.