Skonstruowano baterie alkaliczno–chlorowe. Sprawdź jak zmienią Twój telefon i resztę elektroniki

Technologia Li-Ion jest od trzydziestu lat niekwestionowanym królem baterii do telefonów i laptopów. Wykorzystujemy ją w elektronarzędziach i wszelkiej elektronice, której nie chcemy przywiązywać do gniazdek elektrycznych.Wystarczy jednak wyposażyć samochód elektryczny w lekką, pojemną i ładującą się całkiem szybko baterię litowo–jonową, a wiele jej zalet staje się względnych. Szybkie ładowanie zaczyna być niewystarczająco szybkie, a pojemność pozostawia sporo do życzenia. Opracowne przez międzynarodowy zespół naukowców baterie alkaliczno-chlorowe mogą ten stan rzeczy zmienić. W czym są lepsze i jak powstały?

Dlaczego baterie alkaliczno–chlorowe to nie do końca baterie?

Żeby zrozumieć, jak dużym przełomem są baterie alkaliczno-chlorowe, powinniśmy pamiętać, że są one akumulatorami. Tak samo jak baterie, których używamy w telefonach i laptopach. W języku potocznym często te terminy mieszamy, ale baterie są tylko jednorazowymi magazynami pamięci, które po wyczerpaniu nie są możliwe do ponownego napełnienia. Akumulatory możemy rozładować i naładować w wielu cyklach. Chociaż to duża różnica, to w artykule terminy te bywają używane wymiennie i jest to zamierzone.

Skąd pomysł na baterie alkaliczno–chlorowe?

Możliwości magazynowania energii z wykorzystaniem chloru interesują naukowców od dziesięcioleci. Pierwiastek ten tworzy całkiem dobre warunki do przechowywania i uwalniania ładunków elektrycznych. Niestety, w porównaniu z wieloma kolegami z tablicy Mendelejewa jest też dość szybki i trochę za bardzo zwariowany w swoich reakcjach. Jako lokator baterii jednorazowych jest do opanowania, ale jego kandydatury na mieszkańca akumulatora zazwyczaj kończą się szybką dyskwalifikacją.

Badacze z Uniwersytetu Stanford także nie planowano umieszczać go w akumulatorze. Szukali rozwiązań dla swojej baterii jednorazowej. W trakcie wstępnych testów zauważyli jednak coś zaskakującego. Konwersja chlorku sodu do chloru na pewnym etapie przebiegała stabilnie. Identycznie działo się, jeśli w miejscu chlorku sodu stosowano chlorek litu. Przyłapanie na tym chloru oznaczało, że można nad nim zapanować na tyle, aby przydawał się w akumulatorach.

 Prof. Hongjie Dai. Szef zespołu, który opracował baterie chlorowo-alkaliczną. Źródło: Le Cicero za Uniwersytetem Stanford

Przez kilka lat była to tylko hipoteza, bowiem konstrukcja baterii lub akumulatora, to zupełnie co innego, niż odizolowane pierwiastki w laboratorium. Największym problemem okazał się wybór materiału na elektrodę dodatnią. Od niego zależy pojemność akumulatora, ale nie może on wpływać w niepożądany sposób na proces chemiczny.

Odpowiedni materiał znalazł się na Tajwanie. Naukowcy z tamtejszego Narodowego Uniwersytetu Chung Cheng opracowali porowaty materiał węglowy, który wspiera kontrolę nad konwersją chloru. Zbudowana z niego elektroda jest pełna maleńkich dołków, które zatrzymują molekuły chloru. Materiał staje się tym samym zbiorem probówek, w których chlor może oczekiwać na związanie z sodem.

Jak działa bateria alkaliczno – chlorowa?

Kiedy bateria jest ładowana, chlorek sodu przechodzi konwersję do chloru (Na/Cl2). Sód zostaje wytrącony, a chlor pozostaje uwięziony w porach elektrody węglowej. W momencie rozładowywania baterii chlor ma opcję połączenia tylko z cząsteczkami sodu, co też czyni. W ten sposób ponownie powstaje chlorek sodu, a bateria staje się możliwa do ponownego załadowania. Procesy te można powtarzać i są bardzo wydajne.

Aktualnie naukowcom udało się skonstruować prototyp, który osiąga pojemność 1 200 mAh/g elektrody dodatniej i zastosować cykl ładowania oraz rozładowyania 200 razy. Używane powszechnie akumulatory litowo-jonowe są w stanie pomieścić zaledwie 200 mAh/g elektrody dodatniej. Ilość cykli ładowań naszych baterii telefonicznych jest większa, ale prototyp można udoskonalać. Jego twórcy są przekonani, że możliwe zwiększenie jego rozmiarów i żywotności.

Światło LED zasilane przez prototyp akumulatora alkaliczno-chlorowego. Żródło: Guanzhou Zhu, Uniwersytet Stanford

Do czego baterie alkaliczno–chlorowe mogą się przydać?

W aktualnej formie akumulator alkaliczno–chlorowy mógłby podłużyć do niewymagającej elektroniki. Wszystkie urządzenia, które wyposażamy w jednorazowe baterie (zegarki, kalkulatory, piloty) moglibyśmy już teraz zasilać bateriami alkaiczno – chlorowymi i nie tylko używać dużo dłużej, ale także uzupełniać w energię sieciową.

Naukowcy mierzą jednak wyżej. Ich marzeniem jest umieszczenie baterii w satelitach. Choć wydaje się to bardzo oderwane od rzeczywistości, to jest planem bardzo praktycznym. Satelity potrzebują akumulatorów, które są bardziej pojemne i żywotne, niż obecnie.

Komercyjnie największy potencjał to jednak elektronika użytkowa i samochody elektryczne. Wszędzie, gdzie częste ładowanie baterii nie jest wygodne lub możliwe, nowe rozwiązanie wydaje się wrecz bombowe. Samochody z baterią alkaiczno –chlorową pojechałyby sześć razy dalej, niż obecnie produkowane modele elektryczne. Współczesne telefony z takim rozwiązaniem moglibyśmy ładować średnio raz w tygodniu.

Jakie wady mają baterie alkaliczno – chlorowe?

Wszystkie możliwe zastosowania są bardzo praktyczne, ale nowe akumulatory są przede wszystkim projektem badawczym. Chociaż ma on dobre wyniki, to jego komercjalizacja wymaga jeszcze mnóstwa pracy. Może też zaskoczyć w wielu kwestiach i to nie zawsze pozytywnie.

Naukowcy ze Stanford twierdzą, że baterie alkaliczno-chlorowe sa tym, czego potrzebują nasze telefony, żeby ładować je rzadziej. Producenci telefonów mogą uważać, że bardziej przydadzą się nam nowe funkcje. Codzienne ładowanie i tak jest przecież wystarczająco user friendly. Niby też fajnie, ale będziemy zużywać więcej energii.

Nikt też jeszcze nie zastanowił się, co się stanie, jeśli nowe baterie będą elektrośmieciem. Gdyby przyczyniły się do upowszechnienia samochodów elektrycznych, może być to dużo większa i bardziej kłopotliwa kolekcja, niż ta, którą utworzyliśmy z baterii Lli-Ion.

Źródła: Stanford News, abstrakt artykułu "Rechargeable Na/Cl₂ and Li/Cl₂ batteries" dostępnego w Nature z 25 sierpnia 2021 r.