Revija Joker - Akumulatorji na tnalu

ČLANKI
stranka » članki » človeki » Akumulatorji na tnalu
Akumulatorji na tnalu
...
Baterijska tematika je priložnost, da izpostavimo še eno uspešno domačo ra­z­iskovalno ustanovo: ljub­ljanski Kemijski inštitut. V okviru njegovega la­­­bo­ra­torija za kemijo materialov se namreč po­svečajo snovanju in preiskovanju shramb naboja. Tamkaj­š­nji znanstveniki so že poskrbeli za odmevne objave v najuglednej­­ših znanst­ve­nih revijah, med drugim predlani v Science. Zato je Aggressor vodjo njihovega baterijskega oddelka in enega najboljših strokovnjakov za elekt­rič­ne akumulatorje, dr. Roberta Dominka, pobaral, kako poteka razvoj bate­rij in kam nas ta pelje.

Pri vas raziskujete morebitne nove načine elektrokemičnega shranjevanja naboja. Gre tu za izboljšave litij-ionskega modela ali za povsem nove smeri?
Oboje. Objava v reviji Science decembra 2015, do katere smo prišli v sodelovanju s pariškim Collegem de France, se je tikala poštene nadgradnje delovanja li-ionske baterije. Doslej je veljalo prepriča­nje, da je moč za shranjevanje energije v njej izkoristiti zgolj elektron v kovini iz strukture kovinskega oksida, ki ses­tavlja elektrodo. Mi pa smo odkrili, da lahko uporabimo tudi elektron iz kisikove podmreže v kristalni strukturi! S tem se lahko kapaciteta sh­rambe vsaj teoretično poveča tja do polovice. To je važno, ker ima trenutni klasični princip delovanja li-ionske baterije poznano zgornjo mejo – okoli 300 Wh/kg, ki se ji hitro približujemo. 
Po drugi strani so zelo važna veja našega raziskovanja litij-žveplove baterije, kjer za katodo namesto litijevega kovinskega oksida uporabimo žveplo v og­ljikovi matrici. Gre torej za, kakor mi pravimo, drugačno 'kemijo' od li-ionske. Žveplove celice imajo vsaj dvakrat višjo energijsko gostoto od današnjih li-ionskih, se pravi vsaj okrog 500 Wh/k in več. Hkrati je treba biti z njimi zaradi večje energijske gostote previdnejši, a mi smo napravili dobre prototipe. Razen tega se dosti ukvarjamo z magnezijevimi celicami, pa boratnimi ... Znanstvenih člankov za razne materiale imamo cel kup, ker tako poteka naše delo – kjer pričakujemo koristi, preizkušamo spojine, dokler ne najdemo nove uporabne kemije. 

Robert Dominko v laboratoriju poleg stiskalnice, s katero preizkušajo delovanje mehkih napetostnih celic pod fizično obremenitvijo. Tako vidijo, pri kakšnih pritiskih v njih nastanejo kratki stiki, od česar je odvisno tudi pakiranje.

Litij-žveplove baterije so v bistvu že več desetletij stara ideja, pa tudi raba drugih elementov v zlitini elektrode poleg kovine se zdi logična. Zakaj do razvoja ni prišlo že prej?
Ker enostavno tehnološko nismo bili na dovolj visoki ravni. Čim bolje poznamo kemične in fizikalne procese v napravi, tem bolje jo lahko načrtujemo in sestavimo. Pred desetletji merilni instrumenti niso bili dovolj zmogljivi, da bi znali pokukati v fino kristalno strukturo elektrod. Zato nismo vedeli, kaj ione ovira pri poti v notranjost elektrode. Kot bi po­šiljal avto v predor z ovirami, v katerega ne vidiš. Da­nes, ko to lahko napravimo, spojine v elektrodah skonstruiramo tako, da sprejmejo več ionov iz elekt­rolita. Ker lahko pokukamo globlje v predor in vidimo morebitne ovire. Nato pri nastanku elektrode malo spremenimo temperaturo ali dodamo kakšno kemikalijo in dobimo ustreznejšo sestavo.
Mar na podlagi poznavanja teh procesov sestavite lastno zasnovo?
Tako je. Na teoretičnih temeljih moramo zgraditi prototipe, s katerimi dokažemo, da je neke nove sorte baterija lahko varna in tržno zanimiva. To v praksi pomeni, da napravimo več sto njenih primerkov, ki jih nato izpostavljamo preizkusom. Od različnih režimov praznjenja do prebadanja, sežiganja in udarjanja s kladivom. Varnost je na zelo visokem mestu – pol leta smo na primer potrebovali, da smo za litij-žveplov prototip dobili certifikat, ki omogoča njegov transport z letalom! To je ena takšna stvar, ki je prej ne predvidiš. Vse te malenkosti na koncu pripomorejo, da je razvoj baterij tako počasen.
Bo ta žveplova zasnova kdaj ugledala luč sveta kot izdelek? Kako ste pravzaprav po­vezani s proizvajalci?
Žveplov akumulator nastaja v konzorciju, katerega važen partner je firma SAFT, ki si želi takšnih baterij. Tesno sodelujemo tudi s Hondo, za katero razvijamo magnezijeve akumulatorje, in če uspemo napraviti dober delujoč prototip, obstaja opcija, da ga vidimo v izdelku. A v splošnem smo še vedno neodvisna raziskovalna ustanova, ki dreza v kemijo elektrokemičnih celic in jo skuša razlagati. Kljub vsemu trudu, ki ga tu vložimo, naše delo predstavlja le nekje petino tis­tega, ki je potrebno, da baterija pride na police. Preostanek gre predvsem na rovaš proizvajalca, ki mora dokončno oblikovati izdelke in zagnati prilagojene proizvodne linije. Pri omenjeni izrabi elektronov iz kisikove podmreže pa smo še dlje in do njegove praktične rabe je vsaj še deset let.

Prototipne zasnove celic, pripravljene na testiranje. Gre za mehke, mošnjaste izvedenke, kakršne so v te­lefonih. Vidno je, kako tanke so v resnici posamez­ne celice, preden jih sestavijo v baterijo.

Prebadanje in tepež akumulatorjev se sliši zabavno. Kako varne so shrambe v avtomobilih v primerjavi z bencinskimi rezervoarji?
Rezervoarji goriva so danes že precej varni. Pri baterijah pa temu, kot sem omenil, posvetijo dosti pozornosti. V notranjosti je več mehanizmov proti nesrečam. V elektrolit dodajajo aditive proti gorenju; ti se v prvih nekaj ciklih delovanja odložijo na elektrode v tanek film, ki pomaga preprečevati požare. Prav tako imajo celice neke sorte ventile, ki sprostijo morebiten previsok tlak, in seveda varovalke, ki prekinjajo previsoke tokove. Kar se tiče kratkih stikov, je pri nesrečah zato največja nevarnost, če baterijo prebode prevodna ost, kar je težko preprečiti. Ravno zato je to eden naših najvažnejših testov. Pri gorenju je treba paziti, ker se sprošča vodikov fluorid, ki je zelo strupen. Zato se je pri požaru električnega avta priporočljivo držati stran.
Ste kot raziskovalci kakorkoli občutili odpor naftne industrije do prodora električnih avtomobilov?
Ne bi mogel reči, da smo to kdajkoli občutili. V bistvu moram opozoriti, da firme s fosilnimi gorivi v zadnjem času pospešeno vlagajo v razvoj in proizvodnjo baterij. Očitno tudi sami vedo, kje je prihodnost energetike. Mimogrede, eden največjih laboratorijev je v Savdski Arabiji ...

Inštitut sodeluje tudi pri praktičnih univerzitetnih projektih; eden takih je bil Elektromobilnost za Slovenijo, kjer je ekipa študentov na šasiji Renaultovega twinga sestavila vozen električni avto.

Kaj pa alternative, na primer gorivne celice?
Pri gorivnih celicah je ogromen problem transport vodika, saj bi morali zanj vzpostaviti povsem novo distribucijsko mrežo. Obenem ga je treba pridobiti. Verjetno bodo zato še lep čas omejene na večja vozila, na primer avtobuse in tovornjake. Trenutno resne alternative baterijam ni, če želimo na pot trajnostnega napredka, kjer bomo energijo bolje izrabljali tako, da jo bomo ob nižji porabi shranjevali v obliki električnega naboja.
Kakšna je torej predvidena prihodnost baterij?
Litij-ionske bodo slejkoprej trčile ob zgornjo mejo. Navsezadnje so jih uvedli že leta 1991 in so od tedaj njihovo kapaciteto približno početverili zgolj z izboljšavami elektrod! Litij-žveplovo zasnovo razumemo kot srednjeročno nadgradnjo kemije. Preizkusno jih že uporabljajo, na primer v rekordnem letu letala na sončne celice leta 2008. Predvidoma bodo v potrošnji po letu 2020. Dolgoročno seveda čakamo na preboj litij-kisikovih celic, vendar moram poudariti, da je njihova razvojna pot podobna tisti praktičnega fuzijskega reaktorja. V vsakem trenutku so "oddaljene deset let", haha. Razen tega so v preteklih letih ogromno eksperimentirali z natrijevimi celicami – te so podobne li-ionskim, le da namesto litija vsebujejo natrij. Vedeti moramo namreč, da je litij kot surovina omejen. Tega doslej nismo občutili, ker smo pri proizvodnji porabljali njegove velike zaloge, ki so ostale od jedrskih poskusov velesil. Toda njegova razpoložljivost se manjša in to zna povzročiti geopolitične probleme. Ali pa povečati trenutno zelo majhen obseg reciklaže li-ionskih baterij. Iz podobnega razloga kot z natrijem se eksperimentira tudi z magnezijem.
Skratka, ne moremo se še nadejati laptopa, ki bi se napolnil v minuti?
No, teoretično morda – če bi potem deloval le kratek čas. Veste, pri konstruiranju baterij so vedno kompromisi, zmeraj žrtvuješ eno lastnost na račun druge. Toshibine shrambe za urgentne primere imajo na primer celice z okoli deset tisoč cikli življenjske dobe, se pravi skoraj desetkrat toliko kot one v telefonih. Ampak njihova specifična kapaciteta je namesto tega dosti manjša.

Važen del laboratorija je suha komora, v kateri je moč sestavljati naprave brez bojazni pred vodnimi in prašnimi delci ter kisikom. Notri je rahel nadtlak plina argona, zato rokavice za delo štrlijo ven, dokler jih laborant ne uporabi.

Akumulatorji na tnalu objavljeno: Joker 283
februar 2017