Nauja akumuliatorių gamybos technologija žada iš esmės pakeisti elektromobilius – nuo jų kainos iki įkrovimo greičio.
Čikagos universiteto inžinieriai nustatė, kad atsisakius toksiškų skystų mišinių (vadinamųjų srutų) akumuliatorių gamyboje, galima sukurti galingesnį ir ilgaamžiškesnį elektrodą.
Naujoji technika paremta sausuoju procesu, kuriame nenaudojami tirpikliai. Taip formuojama tvirtesnė elektrodų struktūra.
„Ekonominiai, aplinkosauginiai ir visuomeniniai veiksniai buvo pagrindinė jėga, stumianti sausų elektrodų technologiją į priekį“, – teigė 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“, – pridūrė jis.
Aukštos įtampos stabilumas
Kiekvieną akumuliatoriaus elektrodą sudaro trys pagrindiniai komponentai: aktyvioji medžiaga, kuri kaupia energiją, anglies pagrindo priedai, užtikrinantys elektros laidumą, ir rišikliai, veikiantys kaip struktūriniai „klijai“.
Šiandien pramonėje dažniausiai taikomas srutų metodas: elektrodų medžiagos sumaišomos su toksiškais tirpikliais, užnešamos ant folijos ir džiovinamos didžiulėse, daug energijos reikalaujančiose krosnyse.
Nors tai – pramoninis standartas, procesas yra brangus, aplinkai nepalankus ir, storinant elektrodus, tampa vis mažiau efektyvus.
Siekdami išspręsti šias problemas, gamintojai vis dažniau atsigręžia į sausąjį procesą, kuriame visiškai atsisakoma skystų tirpiklių. Taip galima pigiau, ekologiškiau ir lengviau pritaikant dideliu mastu gaminti anodus ir katodus, kurie tiekia energiją elektromobiliams.
„Sausasis elektrodas – tai naujos kartos, pažangiausia ličio jonų akumuliatorių technologija“, – pabrėžė Zhang.
„Elektrodų gamyba 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“, – sakė jis.
Netikėto našumo pagerėjimo esmė – iki šiol nepastebėtas „sinerginis efektas“.
Įprastai anglies priedai ir rišikliai buvo laikomi atskiromis, menkai tarpusavyje sąveikaujančiomis sudedamosiomis dalimis. Tačiau taikydama sausąjį procesą, Zhang komanda aptiko unikalią cheminę sąveiką tarp anglies priedų ir rišiklių.
Ši sąveika suformuoja 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 nepatiriant trapumo, kuris dažnai pasireiškia medžiagas apdorojant drėgnuoju būdu.
Ši pažanga gali reikšmingai paspartinti elektromobilių rinkos plėtrą: pigesni, patvaresni ir greitai įkraunami akumuliatoriai pašalintų paskutines masinio elektromobilių įsitvirtinimo kliūtis.
Be to, tai reikštų mažiau gamybos atliekų, mažesnes sąnaudas automobilių gamintojams ir galiausiai – prieinamesnes elektromobilių kainas vartotojams.
„Šis tyrimas ne tik priartina mus prie greitai įkraunamų, itin efektyvių ir 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, kad ličio jonai akumuliatoriuje galėtų judėti taip greitai, jog įkrovimo trukmė priartėtų prie tradicinio automobilio degalų papildymo laiko.
