Pan bateria - człowiek, który da światu prąd

Smartfon, który na baterii działa nie dzień, lecz kilka. Płynna bateria, która pozwoli na dostarczanie energii elektrycznej miastu o powierzchni Nowego Jorku, na dodatek ładowana energią słoneczną lub wiatrową. Bujda? Skąd - takie rozwiązania już są i to tylko kwestia czasu, kiedy zostaną wprowadzone na rynek. Opracował je największy ekspert od baterii na świecie - Donald Sadoway.

Łatwo jest narzekać na szybko wyczerpujące się baterie w urządzeniach . Dużo trudniej ruszyć głową i opracować całkowicie nowy sposób przechowywania energii. Rozwiązaniem miały być odnawialne źródła energii. Ale wiatr wieje według własnego widzimisię, a energię słoneczną można zbierać tylko w ciągu dnia. Odnawialne źródła energii dają szansę na uniezależnienie się od ropy, ale najzwyczajniej w świecie nie można liczyć na ich "stałe dostawy". Z tym problemem zmierzyć się chce Donald Sadoway. Wykładowca chemii na Massachusetts Institute of Technology (MIT), którego prestiżowy magazyn Time ogłosił jedną ze 100 najbardziej wpływowych osób 2012 . Sadoway od lat pracuje w MIT nad bateriami, jakich jeszcze nie widzieliście.

Jak działają baterie?

Schemat działania bateriiSchemat działania baterii Fot. Gazeta.pl Fot. Gazeta.pl

Zanim przejdziemy do zaawansowanej chemii prosto z MIT zastanówmy się przez chwilę nad prostym (z pozoru) pytaniem - jak działają baterie? Oczywiście - baterii mamy całe mnóstwo, od litowo-jonowych (np. w telefonach czy laptopach) przez akumulatory samochodowe po rozbudowane systemy awaryjne zasilające centra danych. Wszystkie one działają jednak na tej samej zasadzie.

Każda bateria, czy to akumulatorowa (te można rozładowywać i ładować) czy jednorazowego użytku to ogniwo galwaniczne. W największym i bardzo bolesnym uproszczeniu: dwa bieguny - dodatni i ujemny, czyli anodę (-) i katodę (+). Między nimi znajduje się elektrolit. Katoda i anoda podłączone są do obwodu elektrycznego. Reakcje chemiczne zachodzące w baterii sprawiają, że na anodzie gromadzą się elektrony. Nie jest to jednak stan równowagi, a elektrony nie mogą dostać się a anody do katody ze względu na rozdzielający je elektrolit. Jedynym sposobem jest "okrężna droga", czyli skorzystanie z zamkniętego układu. Jeśli w układzie znajduje się np. żarówka (tak jak na obrazku powyżej), to zaczyna ona świecić.

Zależnie od użytych substancji i konstrukcji ogniwa można je ładować (akumulatory) lub po wyczerpaniu tylko wyrzucić. Prace Sadoway'a skupiają się na bateriach akumulatorowych - dla uproszczenie nazywać je tu będziemy bateriami.

To oczywiście bardzo pobieżne wytłumaczenie. Niezbędne jednak do zrozumienia tego, nad czym pracuje Donald Sadoway.

Sadoway o bateriach wie wszystko

SlimCellSlimCell Fot. MIT Fot. MIT

W końcu poświęcił im całą swoją naukową karierę . Wynalazł też coś, co byłoby zbawieniem dla nas wszystkich i pozwoliłoby przestać z rozrzewnieniem wspominać stare Nokie i ładowanie telefonu raz na tydzień: SlimCell (na zdjęciu powyżej). Współczesna bateria litowo-jonowa - stosowana na przykład w komórkach czy laptopach- ma pojemność 125 watogodzin na kilogram (Wh/kg). SlimCell miałby mieścić co najmniej dwa razy tyle:

Z baterią 125 Wh/kg możesz przejechać 125 mil na jednym ładowaniu, to za mało - jeszcze w 2005 roku mówił Sadoway w rozmowie z The Guardian - (...) potrzebujesz baterii 250 Wh/kg. W moim laboratorium nawet teraz mam baterie o pojemności 300 Wh/kg, a prawdopodobnie przekroczymy granicę 400 Wh/kg.

W jaki sposób osiągnięto taki wynik? SlimCell składa się z litu i specjalnego elektrolitu. To właśnie przez minimalne użycie elektrolitu Sadoway osiąga świetne wyniki baterii.

SlimCell to wynalazek z 2005 roku, miał być wykorzystywany do telefonów komórkowych czy sprzętu medycznego. Wciąż jednak - niestety!- nie trafił na rynek. Powód? Opór rynku i producentów tradycyjnych baterii . Na supercienkie i superwytrzymałe baterie do naszych podręcznych urządzeń trzeba będzie jeszcze poczekać.

Sadoway nie poprzestał jednak na małych i niewinnych rozwiązaniach. Teraz chce dostarczać energii na większą skalę - miasta mają korzystać z jego płynnej baterii.

Płynna bateria? Jak to?

Donald SadowayDonald Sadoway Fot. Patrick Gillooly // MIT Fot. Patrick Gillooly // MIT

Płynna bateria, tak jak tradycyjna, składa się z trzech warstw: z dwóch różnych stopów metali (anody i katody), rozdzielonych warstwą soli (elektrolit). Jak czytamy na stronie MIT ,

Energia przechowywana jest w płynnych metalach, które chcą wejść ze sobą w reakcję, ale ta dokonać się może wyłącznie przez transfer jonów przez elektrolit. Właśnie to powoduje przepływ prądu przez baterię". Wszystkie elementy konstrukcji muszą być utrzymywane w wysokiej temperaturze (700 st. C), ponieważ kluczem jest płynna konsystencja składników baterii.

Najlepiej zresztą tłumaczy swój wynalazek sam Sadoway:

 

Rozwiązanie jest bardzo eleganckie, a przede wszystkim - ma być niedrogie w produkcji. Sadoway przewiduje, że jeden ogromny konglomerat takich baterii mógłby całkowicie ekologicznie dostarczać energii elektrycznej miastu o powierzchni Nowego Jorku (którego zapotrzebowanie wynosi 13 000 megawatów). Taka megabateria sama zajmowałaby powierzchnię 60 tysięcy metrów kwadratowych (czyli sporo, ale prawie 3 razy mniej niż nasz Stadion Narodowy). Zasilana byłaby energią z ogromnej farmy słonecznej. Brzmi futurystycznie? Możliwe. Ale Sadoway i jego współpracownicy mają nadzieję, że komercyjna wersja ich rozwiązania będzie dostępna już w 2014 roku. O ile, oczywiście, nie podzieli losów przełomowej baterii SlimCell.

-------------------

PS. Sadoway ma też najwyraźniej poczucie humoru. Można go zobaczyć nie tylko na poważnych konferencjach, lecz również w stworzonej przez studentów MIT parodii internetowego hitu Gangnam Style. Podpowiedź dla niecierpliwych: 4:35.

 
Więcej o: