Ile energii może pomieścić akumulator?

„Nie ma na to jednej odpowiedzi, to zależy od wykorzystanych materiałów”, mówi Palacín. „Jednak akumulator nie jest w stanie pomieścić nieskończonej ilości energii – uniemożliwiają to pewne fizyczne ograniczenia”.

Palacín twierdzi, że nie ma ustalonych standardów dotyczących sposobu szacowania teoretycznej maksymalnej pojemności akumulatora, która zależy od wielu różnych czynników.

Najbardziej oczywiste ograniczenie związane jest z reakcjami chemicznymi zachodzącymi w akumulatorze. Akumulatory składają się zazwyczaj z dwóch różnych materiałów połączonych elektrolitem. Elektrony przepływają z jednego końca obwodu na drugi, a jony przemieszczają się przez elektrolit w przeciwnym kierunku, dzięki czemu proces się powtarza.

W latach 90. ubiegłego wieku wiele urządzeń elektronicznych korzystało z dużych akumulatorów niklowo-kadmowych. Następnie toksyczny kadm zastąpiono stopami, w wyniku czego powstały akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe, które charakteryzowały się większą gęstością energii. Obecnie w smartfonach i innych urządzeniach przenośnych stosuje się zwykle akumulatory litowe mogące pomieścić jeszcze więcej energii przy tej samej objętości.

Na pojemność akumulatorów wpływa także ich kształt, który zależny jest od zastosowania. A skoro o tym mowa, to dlaczego nie możemy stworzyć akumulatora, który wytrzyma tydzień?

„Byłoby to możliwe w przypadku telefonów pierwszej generacji wyposażonych w niewielkie czarno-białe ekrany”, tłumaczy Palacín. Współczesne smartfony mają jednak pewne cechy, które utrudniają to zadanie, takie jak duże, energochłonne kolorowe ekrany, cienkie komory akumulatora i konieczność stałego połączenia z internetem.

Dlatego pomimo większych rozmiarów i bardziej zaawansowanej technologii akumulatory w nowoczesnych telefonach znacznie szybciej się rozładowują. „Wydajność baterii litowo-jonowych jest coraz lepsza, ale urządzenia wykorzystują coraz więcej energii”, wyjaśnia Palacín.Prof. Palacín, która prowadzi badania w Instytucie Materiałoznawstwa w Barcelonie, pracuje obecnie nad akumulatorami nowej generacji opartymi na wapniu. „Baterie litowo-metalowe nie są bez wad. Jedną z nich jest tendencja do powstawania dendrytów, czyli małych wypukłości na elektrodzie ujemnej, w wyniku wielokrotnych cykli ładowania, co ostatecznie może doprowadzić do zwarcia i wybuchu akumulatora”. Z tego powodu w najbardziej popularnych akumulatorach litowych stosuje się elektrody grafitowe, co zmniejsza ich gęstość energetyczną.

Zastąpienie litu wapniem mogłoby rozwiązać ten problem, a także zwiększyć gęstość energii, ponieważ umożliwia zastosowanie metalowych elektrod. Każdy jon wapnia transportowany w akumulatorze przenosi dwa elektrony, w przeciwieństwie do akumulatora litowo-jonowego. Co więcej, w akumulatorach wapiennych wykorzystuje się tańszy i szerzej dostępny metal niż lit.

Czy jakiś materiał byłby w stanie zastąpić lit w bateriach do urządzeń przenośnych? Sód ma podobne właściwości chemiczne, co sprawia, że jego użycie pozwoli wykorzystać wiedzę specjalistyczną dotyczącą technologii litowo-jonowej, a ponadto jest powszechnie dostępny. „Jednak żaden metal nie dorównuje litowi”, dodaje Palacín. „A co z bateriami fluorowo-litowymi, w końcu fluor jest bardzo reaktywny? Możemy spekulować na temat wydajności energetycznej takiego akumulatora, ale fluor jest żrącym gazem, więc jak miałoby działać takie połączenie?”

Zwiększenie liczby dżuli w każdym kilogramie baterii prawdopodobnie nie odbędzie się bez rewolucji technologicznej, a dokładniej przejścia na akumulatory półprzewodnikowe, w których nie wykorzystuje się ciekłego elektrolitu oraz można zastosować elektrody litowe. Nie jest to jednak tak proste, jakby się mogło wydawać, i do tej pory udało się to osiągnąć jedynie w prototypach. „Jak łatwo się domyślić, przemieszczanie jonów w ciele stałym nie jest tak łatwe jak w cieczy”, mówi Palacín.

Niemniej jednak, baterie półprzewodnikowe oferują szereg korzyści, takich jak znacznie większa gęstość energii i znacznie mniejsze prawdopodobieństwo wybuchu. Dzięki nim będziemy mogli korzystać z naszego smartfona przez cały dzień.

Kliknij tutaj, aby zapoznać się z badaniami Marii Rosy Palacín: Jak skonstruować lepszy akumulator?