Gniazdka elektryczne w naszych domach bezproblemowo zasilają nawet najbardziej prądożerne urządzenia, takie jak piekarniki elektryczne czy klimatyzatory. Dlaczego zatem naładowanie akumulatora telefonu trwa tak długo? Zapytaliśmy o to Marię Rosę Palacin – prawdziwą specjalistkę zajmującą się akumulatorami.
Najprostszy akumulator jest stosunkowo nieskomplikowany w budowie – to po prostu dwie elektrody wykonane z różnych substancji chemicznych, oddzielone od siebie kolejną substancją chemiczną – elektrolitem, który umożliwia przepływ ładunku elektrycznego z jednej elektrody do drugiej. Reakcje chemiczne zachodzące pomiędzy elektrodami i elektrolitem prowadzą do wytworzenia nadmiarowych elektronów na jednym biegunie, natomiast na drugim biegunie szybko zaczyna ich brakować. W efekcie elektrony – czyli prąd elektryczny – zaczynają przepływać przez połączony obwód.
Ruchy elektronów są bardzo szybkie, jednak podczas ładowania akumulatorów zachodzą także inne procesy – w tym przemieszczanie jonów, które są znacznie większe i cięższe. Jak wyjaśnia Palacín, „akumulator to w najprostszym ujęciu pudełko, w którym elektrony przepływają z jednej strony na drugą, podczas gdy na zewnątrz powstaje prąd elektryczny. W międzyczasie obserwujemy przepływ jonów między elektrodami wewnątrz akumulatora, którego celem jest kompensacja tego zjawiska”.
Skonstruowanie akumulatora, który pozwoli na szybsze ładowanie, wydaje się stosunkowo proste – wystarczy przyspieszyć przepływ jonów przez elektrolit. Niestety, jony nie należą do cząsteczek, które lubią być poganiane. W efekcie większość prób kończy się niepożądanymi reakcjami chemicznymi, prowadzącymi do degradacji materiałów i obniżenia sprawności akumulatora.
Jak twierdzi Palacin, obecnie projektujemy akumulatory w oparciu o jedną z dwóch zasad – maksymalizujemy pojemność bądź wydajność dostarczania energii. „Możemy na przykład zwiększyć grubość elektrody, maksymalizując w ten sposób ilość aktywnego materiału”, mówi badaczka. „W efekcie uzyskujemy największą ilość jonów (czyli energii) na kilogram, jednak muszą one pokonać dystans odpowiadający grubości elektrody, co zajmuje dużo czasu”.
Takie rozwiązanie sprawdza się w akumulatorach, które muszą magazynować duże ilości energii elektrycznej i dostarczać ją w wolniejszym tempie. Drugi rodzaj akumulatora może być wyposażony w cienkie elektrody, co przekłada się na mniejszą ilość aktywnych związków na kilogram. Tego rodzaju konstrukcje magazynują mniejszą ilość energii, jednak są w stanie dostarczać ją i przyjmować znacznie szybciej niż akumulatory o dużej pojemności.
Maria Rosa Palacin – profesorka Instytutu Materiałoznawstwa w Barcelonie – pracuje nad akumulatorami nowej generacji. Stojąc na czele finansowanego przez Unię Europejską projektu mającego na celu opracowanie nowego rodzaju akumulatora opartego na wapniu, Palacin podejmuje próbę osiągnięcia kolejnego kamienia milowego w procesie rozwoju akumulatorów, który trwa nieprzerwanie od lat 90. XX wieku. Wówczas korzystaliśmy z dużych akumulatorów niklowo-kadmowych, które z czasem zastępowały kolejne konstrukcje. Obecnie nasze urządzenia są zasilane przez akumulatory litowo-jonowe.
Niezależnie od materiału, z którego wykonany jest akumulator, procesy chemiczne zachodzące w jego wnętrzu, takie jak nagrzewanie i rozwój dendrytów – niewielkich struktur pojawiających się na elektrodach – sprawiają, że proces ładowania to niezwykle skomplikowane zagadnienie. Jak twierdzi Palacin, próbę naładowania akumulatora w kilka sekund można porównać do próby jednorazowego podlania rośliny doniczkowej ilością wody, która wystarczy na cały rok.
Z tego powodu większość nowoczesnych urządzeń, w tym smartfonów, posiada odpowiednie oprogramowanie kontrolujące proces ładowania, które odpowiada za kontrolowanie szybkości ładowania i dba o to, by nasze akumulatory pozostawały w dobrym stanie. W efekcie nie da się co prawda naładować telefonu w ciągu kilku sekund, ale dzięki temu po roku używania nasze akumulatory nadal działają poprawnie.
Kliknij tutaj, aby zapoznać się z badaniami Marii Rosy Palacin: Jak skonstruować lepszy akumulator?
poleca:
