Okoli leta 2005 se je veliko govorilo in tudi mi smo pisali o gorivnih celicah. Proizvajalci so nam zagotavljali, da potrebujejo samo še malo časa, da imajo v bistvu že vse narejeno in da so tik pred tem, da bodo prenosnike opremili s tem revolucionarnim virom energije. Kaj lahko rečemo? Še en velik tehnološki nateg. Danes o gorivnih celicah, vsaj za splošno uporabo, ni ne duha ne sluha. V bistvu v teh petih letih revolucionarnega napredka ni bilo. Baterije so morda res postale nekoliko zmogljivejše, a v praksi se to ne pozna veliko. Večjo vlogo pri tem, da imajo recimo prenosniki daljši čas avtonomije, imajo drugo tehnologije oziroma komponente v njih, ki za svoje delo porabijo manj energije. Baterije same pa v zadnjih petih letih niso doživele revolucionarne spremembe.

In tu danes poslušamo in beremo o napredku baterijskih tehnologij. Se pripravlja kaj novega ali pa gre spet le za velike besede? Ena sprememba je očitna − v razvoj so se vključili izdelovalci električnih vozil. Logično, kajti kljub različnim energetskim zahtevam, ki jih pred baterije postavlja prenosnik ali vozilo, gre za v osnovi enake baterijske celice. Ameriški avtomobil Tesla Roadster uporablja litij-ionske baterije velikosti 18x 65 milimetrov, ki so bile razvite za prenosne računalnike. 6831 teh celic, povezanih med seboj, zagotavlja 56 kWh (kilovatnih ur) oziroma doseg vozila okoli 340 km pri teži baterijskega »paketa« 450 kg.

VEČJA ENERGIJSKA GOSTOTA, MANJŠA TEŽA

Podatki o zmogljivostih električnih vozil kažejo, kaj bi bilo treba storiti. Baterije morajo postati manjše in lažje, hkrati pa zagotavljati več energije oziroma energetske gostote shranjene energije na določeno prostornino. Predlaganih je veliko »teoretičnih« tehnologij, od nanotehnologije in še česa, a kot kaže, bo razvoj še nekaj časa slonel predvsem na napredku litij-ionske baterijske tehnologije. Te trenutno zagotavljajo najvišjo energetsko gostoto. Za primerjavo. Nikelj-kadmijeva baterija (NiCd) ima gostoto 40 Wh/kg (vatnih ur na kilogram teže), litij-ionska pa med 100 in 245 Wh/kg. Ima pa še druge prednosti. Ni na primer »spominskega učinka«, če jih ne izpraznimo popolnoma pred naslednjim polnjenjem. Šele po približno tisoč ciklih polnjenja kapaciteta pade med 20 in 50 odstotki.

Tudi če najdemo nove tehnologije, pa načelo delovanja baterije ostaja isto: baterija proizvaja električni tok zaradi različnih električnih potencialov snovi. Ko baterija oddaja tok, kemična reakcija znotraj nje poteka v eni smeri, ko se polni, pa v drugi. Pri oddaji toka se litijevi ioni premikajo iz negativne (katoda) proti pozitivni elektrodi (anoda). Koliko energije lahko v baterijo shranimo, je odvisno od snovi, iz katerih sta elektrodi, in od elektrolita med njima.

Začetek te vrste baterij sega v leto 1970, ko jim je uspelo narediti prvo baterijo, pri kateri je bila celotna anoda iz litija. Zaradi električnega potenciala je litij idealen za tovrstno nalogo. Pri uporabi baterije, njenem praznjenju in polnjenju pa so se na površini anode začeli pojavljati izrastki, ki so v skrajnem primeru dosegli katodo. Prišlo je do kratkega stika, ki je segreval baterijo in v skrajnem primeru je baterija lahko zagorela. Rešitev je prišla leta 1990 z drugo generacijo litij-ionskih baterij z anodo iz ogljika, in današnje baterije se kaj dosti od teh ne razlikujejo. Katoda je tipično iz aluminija pokritega z litij-kobaltovim oksidom. Anodo sestavlja bakren vodnik, okoli katerega je grafit. Elektrodi sta med seboj ločeni s tankim filmom, ki je porozen, da lahko prek njega prehajajo delci. Elektrolit pa je tipično litijeva sol v organskem topilu.

Raziskovalci se danes posvečajo iskanju novih snovi, iz katerih so trije osnovni elementi litij-ionske baterije, predvsem elektrolita, in tako skušajo povečati njeno energetsko gostoto. Pri tem pa občasno pride tudi do stranskih učinkov. Ko se na primer pri polnjenju in praznjenju preveč poveča temperatura elektrolita, tako da je blizu svojemu vrelišču. To je bil glavni razlog dogodkov pred nekaj leti, ko so mediji poročali o »eksplozijah« baterij v prenosnikih, čeprav do takšnega katastrofalnega dogodka nikoli ni prišlo, prihajalo je le do taljenja baterije, s tem pa tudi ohišja prenosnika. A naslov, eksplozija pač bolj odjekne v javnosti. Možnost pregretja baterije je lahko velik problem v prenosniku, v vozilu, kjer lahko baterijski paket hladi aktivni sistem, pa manj. Vseeno pa je Toyota pred kratkim predstavila prototip nove, »trdne« litij-ionske baterije, kjer so elektrodi in elektrolit iz litij kobaltovega dioksida, grafita in sulfida. Ta baterija naj bi, po domače povedano, vsebovala več energije in bila odporna tudi do temperature 100 stopinj.

ISKANJE NOVIH MATERIALOV

Litijeva baterijska »kemija« oziroma gostota energije, je pri današnjih litijevih baterijah omejena. Tipična baterija danes »nosi« 350 miliamper ur (mAh) na gram snovi v anodi, kar je mimogrede veliko manj od teoretično najvišje vrednosti. Znanstveniki škotske univerze St. Andrews so že leta 2009 naredili anodo iz porozne ogljikove membrane in tako omogočili, da litijevi ioni (Li+) in prosti elektroni (e-) reagirajo s kisikom iz zraka, pri polnjenju pa »vsrkani« kisik preide nazaj v zrak. Od tu tudi ime »zračna« baterija s potencialom 10-krat večje shranjene energije. Ker ta baterija dela snovi »ne nosi« s seboj, je lažja, njena slabost pa je občutljivost na vlago, kar je verjetno tudi razlog, da še vedno govorimo o prototipu (pričakujemo jo lahko nekje leta 2014 ali 2015). Litij namreč močno reagira z vodo.

Veliko obeta tudi zamenjava ogljikove anode z anodo iz silicija. Raziskovalna skupina, sestavljena iz znanstvenikov univerze Rice in podjetja Lockheed Martin, je namesto uporabe nanocevk, s čimer se ukvarjajo znanstveniki univerz Stanford in Hanyang (Južna Koreja), oblikovala silicijevo anodo, v kateri so nanoluknjice (nanopore). Silicija ne eni ne drugi niso izbrali naključno, ampak zaradi boljših lastnosti v primerjavi z grafitom. Gre pa za občutno izboljšanje zmogljivosti, saj ima na primer zmes silicija in ogljika (SI-C) kapaciteto med 1000 in 1800 mAh na gram teže, anoda iz nanocevk pa celo 3500 mAh na gram.

VEČJA POVRŠINA ELEKTROD

Druga pot izboljšanja zmogljivosti baterije je povečanje površine anode, kar je mogoče izvesti tako, da so elektrode tanjše in jih je zato moč združiti več, več elektrod pa pomeni večjo skupno površino. To pa pomeni, da je elektroda enako velika, vendar je njena površina »izrezljana« v obliko, ki poveča efektivno površino. Dve skupini raziskovalcev, ena iz univerze, druga pa iz instituta MIT sta v namene oblikovanja anod uporabili genetsko spremenjene viruse. Prva je uporabila virus TMV (virus, ki napada tobak), druga pa virus M13, ki v naravi napada bakterije. Oblika obeh je enaka – dolg, tanek valj. Virusu M13 so že leta 2006 spremenili gene tako, da se razmnožujejo in združujejo v obliko nanožice (anode), debele le desetino debeline človeškega lasu. Pri tem so virusi »pobirali« snovi, kot je kobaltov oksid in zlato, in ker so ti delci negativno nabiti, lahko tvorijo anodo. Zaradi majhnosti virusov tako na majhnem prostoru nastanejo mikroskopske strukture z veliko površino, ki jih drugače verjetno ne bi mogli narediti. Ali pa vsaj ne tako poceni. Tako lahko zmogljivost baterije povečajo za šestkrat. Druga skupina govori celo o desetkratnem povečanju.

Profesor Nikhil Koratkar z Rensselaer Polytechnic Institute pa je s svojo razvojno skupino razvil nanomaterial, imenovan »nanoscoop«, ki bateriji omogoča, da se izprazni in spet napolni 40-krat hitreje od današnjih litij-ionskih baterij. Material vsebuje majhne celice iz silicija, ki se lahko povečajo med polnjenjem in pozneje spet zmanjšajo med praznjenjem ter tako izničijo mehanični stres, ki nastane pri polnjenju baterije z večjo močjo – ta pa je pogoj za hitrejše polnjenje. Te baterije bi lahko v kratkem času zagotovile tudi višje moči, kar je na primer pomembno pri električnih vozilih, kjer v te namene uporabljajo dodatne kondenzatorje.

Moj mikro, maj 2011 | Marjan Kodelja |