Akumulator sodowo-jonowy: nowy trend w przyszłości pojazdów elektrycznych

Akumulatory litowe stosowane w pojazdach elektrycznych są drogie, co utrudnia upowszechnienie takich aut. Teraz oczekuje się przełomu w technologii akumulatorów.

W przyszłości pojazdy elektryczne mogą korzystać z tanich, oszczędzających surowce akumulatorów sodowo-jonowych zamiast litowych.

Koszt akumulatorów pojazdów elektrycznych

Dlaczego pojazdy elektryczne potrzebują lepszych akumulatorów#

Pojazdy elektryczne, szczególnie zasilane energią ze źródeł odnawialnych, są postrzegane jako przyszłościowe rozwiązanie wspierające ochronę klimatu. Producenci od lat wykorzystują jednak w akumulatorach rzadki i stosunkowo drogi lit, co spowalnia ich masowe upowszechnienie na świecie.

Choć samochody, pojazdy użytkowe i rowery elektryczne dynamicznie się rozwijają, ich użycie nadal jest ograniczone. Wysokie ceny, uciążliwa infrastruktura ładowania oraz produkcja akumulatorów pochłaniająca dużo surowców utrudniają szybki rozwój.

Aby pojazdy elektryczne stały się powszechne, producenci muszą wprowadzić akumulatory wydajniejsze, trwalsze, bardziej zrównoważone i przystępniejsze cenowo.

Porównanie materiałów

Sód zamiast litu#

Akumulatory sodowo-jonowe mogą stanowić realną alternatywę, a ostatnie postępy w tej dziedzinie są zaskakująco duże. W dającej się przewidzieć przyszłości mogą zastąpić akumulatory litowe w pojazdach elektrycznych, smartfonach lub laptopach.

Lit i sód to metale alkaliczne o bardzo podobnych właściwościach chemicznych. Choć sód daje mniejszą gęstość energii niż rzadszy lit, łatwiej go pozyskać i może być stosunkowo tani.

Postępy prototypów

Obiecujące przełomy#

Osiągi akumulatorów sodowo-jonowych są nadal około 20 lat za litowymi, ponieważ przez ostatnią dekadę badacze skupiali się głównie na poprawie parametrów litu.

Dziś dostępne są nie tylko przełomowe publikacje naukowe, ale też obiecujące prototypy. Według raportu opublikowanego w maju akumulator sodowo-jonowy opracowany w Korei Południowej przeszedł około 500 pełnych cykli ładowania, zanim jego pojemność spadła do 80 procent początkowej.

Inny akumulator, opracowany przez zespół amerykańsko-chiński, osiąga około 450 ładowań przy takim samym poziomie zachowanej pojemności. Chiński akumulator sodowo-jonowy ma mniejszą pojemność, ale po 1200 szybkich ładowaniach trwających po 12 minut nadal zachowuje 70% pojemności.

Może się to wydawać niewiele, ale w praktyce ogniwa mogą wytrzymać więcej ładowań, ponieważ na co dzień nie ładuje się ich zwykle dopiero po całkowitym rozładowaniu. Pełne rozładowywanie i ładowanie w eksperymencie bardziej je zużywa.

Lit jest rzadszy i droższy, lecz większość obecnych technologii nadal wykorzystuje akumulatory litowe. Oryginalna ilustracja pokazuje kraje o największych zasobach litu w 2019 roku.

Technologia sodowo-jonowa nie wymaga też rzadkich surowców. Do katod nie są potrzebne rzadkie sole litu – wystarcza sól kuchenna. Wydajne anody można wytwarzać z węgla brunatnego, drewna i innej biomasy. Produkcja nie wymaga kobaltu ani podobnych rzadkich substancji.

Grafen i jony sodu

Przełom w badaniach podstawowych?#

Sód ma dwie wady: waży trzy razy więcej niż lit, więc choć lit stanowi mniej niż 5% masy akumulatora, ogniwo sodowo-jonowe i tak byłoby cięższe od litowego.

Akumulatory sodowe mają też słabsze osiągi. Ponieważ jony sodu zapewniają napięcie o 0.3 wolta niższe niż akumulatory litowe, nieuchronna utrata gęstości energii wynosi około 10%. Co najważniejsze, grafitowe anody obecnych ogniw nie mogą pomieścić wystarczającej ilości sodu.

Według raportu niemiecko-rosyjskiej grupy kierowanej przez ośrodek Helmholtza HZDR w Dreźnie problem może złagodzić nanowęgiel. Ultracienki materiał węglowy – dwuwarstwowy grafen – może przechowywać w anodzie więcej jonów sodu niż grafit.

Jeśli elektrody grafenowe zastąpią w przyszłości popularne dziś anody grafitowe w akumulatorach litowych, możliwe będzie znaczne zwiększenie ich pojemności.

Fizyk HZDR Krasheninkov porównał to do wkładania małych kulek między dwie kartki papieru: kolejne kulki odsuwają kartki, zwiększając odstęp między nimi.

Struktura wielowarstwowa

Zgodna technologia?#

Jeśli struktura wielowarstwowa działa w akumulatorach litowych, czy sprawdzi się też dla innych metali alkalicznych, takich jak sód? Zespół z Drezna, Stuttgartu i Moskwy chce to ustalić za pomocą zaawansowanych symulacji superkomputerowych.

Dotychczasowe prototypy sodowo-jonowe działały słabo, ponieważ sód z trudem wnika do anody grafitowej. Obliczenia wskazują jednak, że podobnie jak lit może być umieszczany między warstwami grafenu w strukturze wielowarstwowej.

W przyszłości zastąpienie obecnych anod grafitowych elektrodami grafenowymi w akumulatorach sodowo-jonowych może zwiększyć pojemność magazynowania energii.

Wyniki badań mogą przynieść przełom w rozwoju tanich akumulatorów sodowych. Krasheninkov podkreślił, że praca jest czysto teoretyczna i same jej wyniki nie uzasadniają tworzenia nowej generacji ogniw w przewidywalnej przyszłości, ale mogą dostarczyć inżynierom ciekawych pomysłów.

Perspektywy

Akumulatory przyszłości#

Na szczęście akumulator sodowo-jonowy nie jest już wyłącznie koncepcją teoretyczną. Przełom w powiązanych technologiach wydaje się bliski.

Najnowsze ustalenia pokazują, że istnieją już praktyczne, przystępne cenowo i oszczędzające surowce alternatywy dla drogich akumulatorów litowych. Struktury wielowarstwowe mogą jeszcze poprawić ich osiągi.

Zanim technologia sodowo-jonowa będzie gotowa do masowej produkcji i użycia w autach elektrycznych lub telefonach, upłynie jeszcze trochę czasu. Gdy jednak dojrzeje, przestawienie linii produkcyjnych z litu na sód nie powinno sprawiać większych trudności, ponieważ technologie są podobne.