Naukowcy z całego świata prowadzą intensywne badania zmierzające do opracowania technologii pozwalających budować baterie zasilające przenośne urządzenia elektroniczne – takie jak smartfony czy tablety – które będzie można doładowywać w ciągu krótkiego czasu, liczonego w dziesiątkach sekund. Prezentujemy tu cztery technologie, które dają nadzieję na to, że baterie takie powstaną w niedalekiej przyszłości. Bohaterem pierwszej jest grafit, drugiej aluminium, trzeciej piryt, a czwartej wodór.

Grafit

Firma Huawei opracowała prototypowy model baterii zasilającej smartfony, którą można doładować do 50% jej pełnej pojemności w czasie zaledwie pięciu minut. To bateria litowo-jonowa, różniąca się jednak tym od standardowego źródła energii tego typu, że na powierzchnię jednej z elektrod (chodzi o anodę) zostały napylone atomy grafitu.

Zobacz również:

• Nie znam firmy, której strategia nie byłaby dziś cyfrowa - rozmowa z Andrzejem Zającem, Prezesem Zarządu Integrated Solutions
• Usługa WhatsApp uruchamiana na urządzeniach iOS będzie bardziej bezpieczna

Ważne jest to, że bateria zawierająca anodę pokrytą atomami grafitu jest równie żywotna co standardowa bateria jonowo-litowa oraz ma porównywalną pojemność. Naukowcy z Huawei zademonstrowali ostatnio w Internecie (publikując nagranie wideo) dwie baterie zawierające grafitową anodę.

Pierwsza ma pojemność 3000 mAh (miliamperogodzin), a druga 600 mAh. Pierwszą można doładować do poziomu 48% jej nominalnej pojemności w czasie 5 minut, a doładowanie drugiej baterii do poziomu 68% jej nominalnej pojemności trwa jeszcze krócej, bo tylko 2 minuty. Pokaz udowodnił też, że grafitową baterię można doładować w tak krótkim czasie powtarzając tę czynność tyle samo razy jak w przypadku standardowych źródeł energii tego typu.

Jest jednak jeden szkopuł. Na opublikowanym w Internecie filmie widać, że baterię ładuje ładowarka, która jest dużo większa od smartfonu z którego została wyjęta. Dlatego Huawei musi jeszcze popracować nad tym, aby zmniejszyć jej rozmiar do takiej wielkości, jaką mają standardowe ładowarki.

Aluminium

Z kolei naukowcy ze Stanford University zbudowali podobną – czyli dającą się szybko ładować - baterię, wprowadzając do elektrod jony aluminium. Baterię taką można doładować do poziomu jej pełnej pojemności zaledwie w jedną minutę. Baterie takie – w których anoda zawiera aluminium, a katoda cząsteczki grafitu - można przy tym doładowywać 7500 razy, podczas gdy w przypadku baterii litowo-jonowych można to robić maksymalnie ok. tysiąca razy.

I wszystko było by dobrze gdyby nie fakt, że ma ona tak małą pojemność, że nie nadaje się do instalowania w smartfonach. Może co najwyżej zasilać urządzenia pobierające wielokrotnie mniej prądu niż smartfon. Więcej o takiej baterii pisaliśmy tutaj.

Piryt

A teraz o trzeciej technologii i jej bohaterze, czyli pirycie. Naukowcy z Vanderbilt University przyjrzeli się bliżej procesom chemicznym zachodzącym w elektrodach baterii litowo-jonowych i po siedmiu miesiącach intensywnych badań opracowali technologię, dzięki której czas potrzebny na doładowanie baterii do poziomu jej nominalnej pojemności można znacznie skrócić.

Było to możliwe dzięki wprowadzeniu do elektrod wchodzących w skład baterii materiału noszącego nazwę piryt. Jest to minerał żelaza nazywany nieraz złotem głupców z tego powodu, że intensywnie skrzy się i przypomina do złudzenia cząsteczki złota, co wprowadzało niejednokrotnie w przeszłości w błąd poszukiwaczy złota.

Jest to dość skomplikowana technologia, gdyż polega na wprowadzeniu do elektrod bardzo niewielkiej ilości pirytu. Tak naprawdę to mamy tu do czynienia z nanotechnologią. Dość powiedzieć, że chodzi tu o zabieg przeprowadzany na poziomie pojedynczych atomów tego minerału. Szerokość pola operacyjnego takiego zabiegu liczona jest w kilku dziesiątkach atomów pirytu.

Wprowadzenie do elektrod pirytu w klasyczny sposób równoznaczne jest zawsze z wydaniem na baterię wyroku śmierci. Można ją wtedy co prawda szybko doładować, ale po wykonaniu tylko kilku takich operacji nie nadaje się ona do dalszego użytku.

Naukowcy odkryli, że po wprowadzeniu do elektrod ograniczonej ilości atomów pirytu, zachodzące w niej procesy chemiczne przebiegają zupełnie inaczej niż wtedy, gdy elektrody mają postać stopu, którego jednym ze składników jest piryt.

W baterii litowo-jonowej zachodzi zawsze proces, podczas którego jony litu wnikają w elektrodę podczas procesu ładowania baterii, a podczas procesu jej rozładowywania się, jony litu opuszczają elektrodę. Po dodaniu do elektrody ograniczonej ilości atomów pirytu, proces ten przebiega zupełnie inaczej.

Podczas ładowania baterii jony litu napotykają na swej drodze nanocząsteczki pirytu, a każda taka cząsteczka składa się z jednego atomu żelaza i dwóch atomów siarki. Zachodzi wtedy reakcja, w wyniku której atom żelaza zanika i w efekcie powstaje siarczek litu. Gdy bateria rozładowuje się zachodzi odwrotny proces i w elektrodzie pojawiają się z powrotem cząsteczki pirytu.

Proces taki można powtarzać dowolną ilość razy, doładowując za każdym razem baterię w ciągu kilkudziesięciu sekund. Tajemnica tkwi w tym, że nanocząsteczki pirytu są tak małe, iż jony litu mogą w nie swobodnie wniknąć i wytrącić z nich atom żelaza, tworząc w to miejsce siarczek litu.

Cząsteczki pirytu muszą być jednak bardzo małe. Wielkość każdej z nich nie może przekraczać 4,4 nanometra i naukowcy podają, że zbudowana przez nich eksperymentalna bateria zawiera ok. 50 mln takich nanocząsteczek pirytu.

Naukowcy podkreślają, że chociaż droga prowadząca do uruchomienia produkcji takich baterii na masową skalę jest jeszcze daleka, to prowadzone przez nich badania pozwoliły im lepiej zrozumieć procesy chemiczne, jakie zachodzą wewnątrz baterii litowo-jonowych podczas procesów ich ładowania i rozładowywania. A to może skutkować odkryciem nowych zjawisk fizyko-chemicznych zachodzących na poziomie nanocząsteczek, które pozwolą w przyszłości zbudować baterie kolejnej generacji, które będą miały bardzo duże pojemności i co ważne, które będzie można doładowywać w ciągu kilkudziesięciu sekund, powtarzając ten proces wiele tysięcy razy.

Wodór

Bohaterem ostatniej z omawianych tu technologii jest wodór. Naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory odkryli, że czas ładowania baterii litowo-jonowych można znacznie skrócić, jeśli zainstalowane w nich elektrody zostaną poddane działaniu wodoru.

Testy wykazały, że dzięki nowym elektrodom czas ładowania baterii można skrócić o ok. 40%. Daje to nadzieje na to, że baterie kolejnej generacji instalowane w smartfonach, tabletach i innych przenośnych urządzeniach będzie można doładowywać dużo szybciej oraz że będą one mogły pracować dłużej bez konieczności podłączania ich do sieci AC czy urządzeń typu Powerbank. Więcej na ten temat pisaliśmy niedawno w tym artykule.