Nesunaikinama baterija užkariauja mokslo pasaulį. Veikia net ir pradurta vinimi (Video) ()
Ar tai reiškia, kad artėja akumuliatorių saugumo problemų pabaiga?
© Asociatyvus vaizdas | DI
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Įsivaizduokite akumuliatorių, galintį atlaikyti bet kokias ekstremalias sąlygas. Pradurimas aštriu daiktu, poveikis ugniai ar net panardinimas į vandenį – visa tai jam nebūtų kliūtis. Meksikos mokslininkai teigia, kad tai jau tapo realybe, bent jau laboratorinėmis sąlygomis.
Naują prototipą sukūrė Meksikos Pažangiųjų Medžiagų Tyrimų Centro (CIMAV) mokslininkų komanda. Jis išlaikė daugybę ekstremalių bandymų, kurie sunaikintų bet kurį įprastą akumuliatorių. Tačiau čia istorija nesibaigia – po visų šių „kankinimų“ įrenginys vis dar veikė nepriekaištingai. Ar tai reiškia, kad artėja akumuliatorių saugumo problemų pabaiga?
Cinkas vietoje ličio: naujas požiūris į energijos saugojimą
Įdomiausia šiame prototipiniame akumuliatoriuje nėra įspūdingi bandymai su ugnimi ar pradūrimu, o tai, kad jis pašalina pagrindinį rizikos veiksnį, būdingą tradiciniams akumuliatoriams – degų skystą elektrolitą. Jį pakeitus želiniu polimeru ir perėjus prie cinko–oro chemijos, visiškai panaikinta terminės reakcijos galimybė. Dėl to net stiprūs mechaniniai pažeidimai nesukelia pavojingos reakcijos. Be to, anglies elektrodas su vieno atomo nikeliu leidžia ženkliai sumažinti katalizinio metalo kiekį, išlaikant ekonomiškai įgyvendinamą sprendimą.
|
Tokio tipo architektūra geriau toleruoja naudotojo klaidas ir ekstremalias sąlygas. Šis akumuliatorius ne tik sunkiau užsidega, bet ir iš esmės eliminuoja užsidegimo šaltinį. Kadangi jis neturi garuojančio skystojo mišinio, kuris galėtų užsiliepsnoti, o cheminės reakcijos vyksta kontroliuojamoje oro elektrode, rizika gerokai sumažėja. Be to, naudojamas nikelis yra kur kas prieinamesnis ir gausesnis metalas nei litis ar kobaltas.
Pagrindinis inžinierių iššūkis buvo surasti metalą, kuris būtų ir saugus, ir plačiai prieinamas. Sprendimas pasirodė elegantiškai paprastas – naudoti minimalų žaliavų kiekį. Vietoje įprastų masyvių elektrodų komanda sukūrė ploną anglies lakštą, padengtą pavieniais nikelio atomais. Taip gerokai sumažintas metalo poreikis, išlaikant aukštą energijos efektyvumą.
Akumuliatorius, kuris nepasiduoda
Laboratorinės teorijos – viena, tačiau tikrieji išbandymai prasideda praktikoje. Dr. Arjonos vadovaujama komanda atliko itin griežtus eksperimentus: akumuliatorių pradurė vinimi, padegė ir panardino į vandenį. Po kiekvieno bandymo jis toliau veikė be jokių pažeidimo požymių. Tuo tarpu įprasti ličio jonų akumuliatoriai, naudojami išmaniuosiuose telefonuose ar elektromobiliuose, tokiose sąlygose greičiausiai būtų sugedę ar net užsiliepsnoję. Tai įrodo ir ankstesni atvejai, kai telefonai sprogdavo ar elektromobiliai užsiliepsnodavo po avarijų.
Mokslininkai atliko ir bandymus ekstremaliose temperatūrose. Rezultatai buvo stulbinantys – prototipas išliko stabilus ir efektyvus tiek karštyje, tiek šaltyje, neprarasdamas reikšmingos galios. Tai itin svarbu šaltesnio klimato šalyse, kur žiemą elektromobilių akumuliatoriai dažnai praranda dalį veikimo nuotolio.
Cinko–oro akumuliatorių problemos
Pagrindinės šiuolaikinių cinko–oro elementų problemos nėra susijusios vien su energijos tankiu, o su cikliškumu ir oro valdymu. Ore esantis CO₂ ir drėgmė karbonatizuoja elektrolitą ir silpnina katodo efektyvumą. Šis prototipas iš dalies sprendžia problemą naudodamas želinį elektrolitą ir vieno atomo katalizę, tačiau pramoniniam gaminiui vis tiek reikės CO₂ filtrų arba selektyvių membranų bei drėgmės kontrolės. Be to, ilgalaikis įkrovimo–iškrovimo procesas realiomis sąlygomis bus įmanomas tik su šiais papildymais.
Kita kliūtis – dvigubos funkcijos oro katodas. Įkrovimo metu reikia efektyvaus deguonies išsiskyrimo, o iškrovimo metu – gero jo redukavimo. Vieno atomo nikelio katalizatoriai žengia žingsnį į priekį, nes suteikia aukštą aktyvumą naudojant mažiau metalo ir užtikrina vienodesnę aktyvių centrų struktūrą. Tai mažina įtampos nuostolius ir padidina ciklo efektyvumą.
Galimos taikymo sritys – nuo transporto iki biologiškai suyrančių komponentų
Šios technologijos potencialas daug platesnis nei tik vartotojiškoje elektronikoje. CIMAV komanda mato pritaikymo galimybes elektromobiliuose, aviacijos sistemose ir jutikliuose, veikiančiuose sudėtingomis sąlygomis. Atsparumas ekstremalioms temperatūroms ir mechaniniams pažeidimams leidžia šiuos akumuliatorius naudoti ten, kur dabartiniai sprendimai nepasiteisina.
Mokslininkai taip pat siekia, kad technologija būtų draugiška aplinkai – jie tiria biologiškai suyrančių komponentų integraciją. Tokie elementai, pasibaigus jų eksploatacijai, galėtų praturtinti dirvožemį, o ne tapti atliekomis. Ateities planuose – bioplastikų įtraukimas į struktūrą ir nikelio pakeitimas geležimi, natūraliai gausia dirvožemyje.
Saugūs, pigesni ir aplinkai draugiški energijos kaupimo sprendimai jau nebeatrodo tolima svajonė – jie tampa vis realesne perspektyva. Vis dėlto dr. Arjona išlieka realistė: nors rezultatai daug žadantys, iki technologijos komercinio pritaikymo dar laukia ilgas kelias. Reikės tolesnių tyrimų, bandymų ir optimizavimo, kol cinko–oro akumuliatoriai galės pakeisti dabartinius sprendimus masiniu mastu. Meksikos prototipas rodo, kad energijos saugojimo ateitis gali atrodyti visiškai kitaip nei dabar.
