Dodano: 31 październik 2019r.

Ładowanie pojazdu elektrycznego w 10 minut? Naukowcy opracowali nową technologię

Naukowcy opracowali akumulator litowo-jonowy, który ładuje się w podwyższonej temperaturze, co znacznie zwiększa szybkość całego procesu. Co ważne, bateria podczas takiego ładowania nie ulega degradacji. Nowa technologia może wkrótce pozwolić na pełne załadowanie akumulatora samochodu elektrycznego w zaledwie 10 minut.

Ładowanie pojazdu elektrycznego w 10 minut? Naukowcy opracowali nową technologię

 

Akumulatory litowo-jonowe wywarły ogromny wpływ na współczesny świat ze względu na ich zdolność do przechowywania dużej ilości energii w małej, kompaktowej baterii, którą można wielokrotnie wykorzystywać. Za wkład w rozwój tej technologii, trio naukowców - John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham i Akira Yoshino - otrzymało w tym roku nagrodę Nobla (więcej na ten temat w tekście: Nagroda Nobla 2019 z chemii za rozwój baterii litowo-jonowych).

Baterie litowo-jonowe świetnie sprawdzają się w elektronice użytkowej, jednak w motoryzacji budzą obecnie więcej obaw niż entuzjazmu. Jedną z głównych barier w upowszechnieniu samochodów elektrycznych jest czas ładowania akumulatora, zwłaszcza, jeśli porównamy to do czasu napełniania baku samochodu benzyną czy olejem napędowym.

 

Kluczem do uczynienia samochodów elektrycznych bardziej atrakcyjnymi zarówno handlowo, jak i użytkowo, jest opracowanie akumulatorów, które da się szybko naładować bez znaczącej utraty ich żywotności. Wydaje się, że osiągnął to zespół profesora Chao-Yang Wanga z Electrochemical Engine Center na Pennsylvania State University. Uczeni na łamach pisma „Joule” opisali badania nad akumulatorem o przyspieszonym tempie ładowania.

Być może już wkrótce, za sprawą nowej baterii opracowanej przez zespół Wanga, właściciele pojazdów elektrycznych będą mogli w pełni naładować swoje samochody w zaledwie 10 minut. Wszystko to dzięki nowej konstrukcji, która nagrzewa akumulator, aby zwiększyć szybkość ładowania.

Pełne ładowanie akumulatora samochodu w 10 minut

- Wykazaliśmy, że możliwe jest naładowanie pojazdu elektrycznego w dziesięć minut, zapewniając mu energię na pokonanie odległości od 200 do 300 mil (300 – 450 kilometrów - przyp. red.) - powiedział Wang. - Możemy to robić utrzymując żywotność akumulatora na poziomie 2500 cykli ładowania. To równowartość około pół miliona mil podróży (około 800 tys. kilometrów - przyp. red.) - dodał.

Szybkie ładowanie akumulatorów litowo-jonowych jest możliwe już od jakiegoś czasu. Jednak problem polega na tym, że gdy są one szybko ładowane, ulegają równie szybkiej degradacji. Wszystko za sprawą osadzania się metalicznego litu na anodzie. Podczas szybkiego ładowania jony litu przemieszczając się z elektrody dodatniej na ujemną mają tendencję do tworzenia podobnych do płytki osadów na powierzchni elektrody ujemnej. To prowadzi do zmniejszenia pojemności ogniwa, ale może również spowodować skoki napięcia i w konsekwencji awarię akumulatora.

Akumulatory są ładowane i rozładowywane w tej samej temperaturze. Naukowcy odkryli, że problem osadzania się litu można rozwiązań poprzez ładowanie akumulatora w wyższych temperaturach, sięgających około 60 stopni Celsjusza. Jednak podgrzewanie baterii działa na nią niekorzystnie, skracając jej żywotność. W serii eksperymentów uczeni ustalili, że ich konstrukcja ogrzewana nie dłużej niż 10 minut, a następnie szybko schłodzona do temperatury otoczenia, nie ulega degradacji. Rozwiązało to problem osadzania się litu i skracania żywotności baterii.

Akumulatory litowo-jonowe nowej generacji

Podczas testów naukowcy skorzystali z dostępnych na rynku akumulatorów przemysłowych. Wyposażyli je w strukturę z foli niklowej o grubości liczonej w mikrometrach. To pozwoliło na podgrzanie elektrod w czasie krótszym niż 30 sekund, a to stwarza warunki do szybkiego przemieszczania się jonów do elektrody ujemnej bez osadzania się litu na jej powierzchni.

Następnie przetestowali, jak działają ogniwa, gdy były ładowane w temperaturze 40, 49 oraz 60 st. Celsjusza. Porównali to z baterią kontrolną ładowaną w temperaturze 20 st. C. Okazało się, że w temperaturze 20 st. C. akumulator może wytrzymywać szybkie ładowanie przez zaledwie 60 cykli, zanim dojdzie do znacznego obniżenia wydajności. Najlepsze wyniki osiągnięto podczas szybkiego ładowania w temperaturze 60 st. C. Tak ładowany akumulator może wytrzymać 2500 cykli ładowania bez spadków wydajnościowych. To około 14 lat normalnego użytkowania pojazdu lub około 800 tys. przejechanych kilometrów – obliczyli badacze.

Ważne jest jeszcze szybkie schłodzenie akumulatora. Jak przyznał Wang, można do tego wykorzystać systemy chłodzące pojazdów. Już schłodzenie z 60 st. C. do około 25 st. C. robi ogromną różnicę dla żywotności baterii.

- Dotychczas powszechnie uważano, że akumulatory litowo-jonowe nie powinny pracować w wysokich temperaturach ze względu na przyspieszone reakcje uboczne. Nasze badania sugerują natomiast, że korzyści z uniknięcia powlekania elektrod litem podczas ładowania w podwyższonej temperaturze przy ograniczonym czasie ekspozycji na nią, znacznie przewyższają negatywny wpływ związany z zaostrzeniem reakcji ubocznych – wyjaśnił Wang.

Naukowcy twierdzą, że technologia ta jest całkowicie skalowalna. Folia niklowa zwiększa koszt każdego ogniwa o zaledwie 0,47 proc. Zespół badaczy będzie teraz chciał opracować baterię, którą da się naładować w pięć minut bez jej degradacji.

 

Źródło: Pennsylvania State University, fot. Chao-Yang Wang Lab, Penn State