Vedci našli náhradu za lítium. Táto batéria sa nabije za 3 minúty a vydrží 60 000 cyklov

Vedci z Flinders University vyvinuli vodnú zinko-jódovú batériu, ktorá môže predstavovať zaujímavú alternatívu k lítium-iónovým akumulátorom pri veľkokapacitnom ukladaní energie. Nový článok zvládne viac ako 60 000 nabíjacích cyklov a pri určitom režime sa dokáže nabiť už za tri minúty.

Lítium-iónové batérie dnes nájdeme prakticky všade. Poháňajú smartfóny, notebooky, elektromobily aj stále väčšie úložiská elektrickej energie. Ich rozšírenie však prináša aj problémy spojené s cenou, bezpečnosťou, dostupnosťou surovín a následnou recykláciou.

Práve preto sa výskumníci po celom svete snažia nájsť technológie, ktoré by dokázali lítium-iónové články doplniť alebo v niektorých oblastiach úplne nahradiť. Jedným z kandidátov sú vodné zinko-jódové batérie, ktoré využívajú lacnejšie a dostupnejšie materiály a zároveň neobsahujú horľavý elektrolyt typický pre klasické lítium-iónové riešenia.

Výskumnému tímu z Flinders University sa teraz podarilo vyriešiť jeden z kľúčových problémov tejto technológie. Ich nový článok podľa výsledkov štúdie spája vysokú životnosť, rýchle nabíjanie a potenciálne jednoduchšiu a bezpečnejšiu konštrukciu.

„Dobíjateľné vodné zinko-jódové batérie sa čoraz viac ukazujú ako životaschopná alternatíva k lítium-iónovým batériám pre veľkokapacitné skladovanie energie,“ uviedol docent Zhongfan Jia z College of Science and Engineering na Flinders University. Výskumná skupina už zároveň spolupracuje s priemyslom na vytvorení platformy pre prototypovanie tejto technológie.

Problém, ktorý brzdil zinko-jódové batérie

Základom nového riešenia je vodný elektrolyt a kombinácia zinku s jódom. Takáto konštrukcia má významnú bezpečnostnú výhodu, keďže vodné prostredie nie je horľavé rovnakým spôsobom ako elektrolyty používané v mnohých lítium-iónových akumulátoroch.

Zinko-jódové batérie však doteraz narážali na takzvaný „shuttle effect“. Počas nabíjania a vybíjania môžu v článku vznikať polyjodidové častice, ktoré sa dostávajú cez separátor na neželanú stranu batérie. Tento proces postupne znižuje výkon a skracuje životnosť článku.

Vedci z Flinders University preto vytvorili špeciálny hostiteľský materiál založený na polyméri z cyklodextrínu. Ide o látku odvodenú od oligosacharidov, respektíve materiálov na báze škrobu, ktorá je lacná a biologicky odbúrateľná.

Molekuly cyklodextrínu dokážu vytvárať mikroskopické štruktúry pripomínajúce malé klietky. Ich vonkajšia časť priťahuje vodu, zatiaľ čo vnútorná časť má odlišné vlastnosti a dokáže zachytávať polyhalogenidy. Tým sa obmedzuje ich neželané putovanie vnútri článku a zároveň sa umožňuje ich kontrolované uvoľňovanie.

Práve táto vlastnosť je podľa výskumníkov kľúčom k výraznému predĺženiu životnosti batérie. Namiesto drahých alebo komplikovaných materiálov tak využili riešenie založené na látke, ktorá má pôvod v škrobe.

lítium-iónové batérie

Tri minúty nabíjania, desiatky tisíc cyklov

Najzaujímavejšie sú však výsledky samotného testovania. Batéria pracuje pri napätí približne 1,3 až 1,4 voltu a pri kapacite 200 mAh/g dokáže podľa výskumníkov zvládnuť približne 8 000 nabíjacích cyklov. V tomto režime sa pritom úplne nabije za približne sedem minút.

Ešte výraznejší výsledok prichádza pri znížení kapacity na 150 mAh/g. Vtedy môže nabíjanie trvať iba tri minúty a batéria dokáže podľa štúdie absolvovať viac ako 60 000 cyklov.

Takáto životnosť je mimoriadne zaujímavá najmä pre stacionárne energetické úložiská, kde nie je rozhodujúca iba maximálna kapacita jedného článku. Dôležité je, aby celý systém dokázal opakovane ukladať a odovzdávať energiu počas mnohých rokov.

Výskumníci zároveň uvádzajú degradáciu približne 0,0001 až 0,0003 percenta na jeden cyklus. Práve mimoriadne nízke tempo degradácie pomáha vysvetliť, ako sa článok dokáže dostať nad hranicu 60 000 cyklov.

Zinková technológia môže byť zaujímavá aj pre Európu

Výhodou zinko-iónových riešení je okrem bezpečnosti aj dostupnosť samotnej suroviny. Ťažba a spracovanie lítia sú dnes dôležitou súčasťou globálneho dodávateľského reťazca batérií, pričom značná časť spracovania je sústredená v Číne. To vytvára riziko výpadkov dodávok a cenových výkyvov.

Zinok je oproti tomu rozšírený a Austrália disponuje významnými zásobami tejto suroviny. Podľa údajov uvedených výskumníkmi má krajina približne 20 až 28 percent celosvetových známych zásob zinku. Nová technológia by tak okrem technického pokroku mohla vytvoriť priestor aj pre rozvoj domáceho priemyslu v oblasti energetických úložísk.

S rastúcim podielom solárnych a veterných elektrární bude potrebné ukladať stále väčšie množstvo elektriny a následne ju využívať v čase, keď výroba z obnoviteľných zdrojov klesá. Práve v takýchto aplikáciách môžu mať bezpečné, lacné a extrémne odolné batérie výraznú výhodu.

Technológia z Flinders University zatiaľ nie je hotovým komerčným produktom. Výskumníci však už spolupracujú s priemyselnými partnermi na prototypovacej platforme. Ďalším dôležitým krokom preto bude overiť, či sa výnimočné výsledky z laboratória podarí preniesť aj do veľkých batériových systémov. Ak áno, kombinácia zinku, jódu, vody a materiálu odvodeného od škrobu by mohla predstavovať jednu zaujímavých ciest k lacnejšiemu a bezpečnejšiemu skladovaniu elektrickej energie.

Čítajte viac z kategórie: Cyber