W niekończącej się sadze o poszukiwaniu lepszej baterii, która uwolni nas od tyranii krótkiego czasu pracy i wiecznego polowania na gniazdko, na scenę wkracza, druk 3D. Tym razem jednak nie chodzi o fantazyjną obudowę do powerbanku. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) postanowili sięgnąć do samego serca problemu, drukując elektrodę, która zwiększa pojemność hybrydowego akumulatora cynkowo jonowego ponad siedmiokrotnie. Wynik, który sprawia, że zaczynamy się zastanawiać, ile jeszcze potencjału drzemie w technologiach addytywnych.
Sekret tkwi w strukturze. Zespół z UCLA wykorzystał precyzyjny proces druku z żywic utwardzanych laserem UV, aby stworzyć elektrodę węglową o wewnętrznej budowie przypominającej plaster miodu lub gąbkę. Ta trójwymiarowa siatka jest dosłownie przepruta miliardami mikroskopijnych porów. Po wydrukowaniu, elektroda przechodzi przez proces obróbki cieplnej i chemicznej, który pozostawia jedynie przewodzący węgiel z otwartymi porami, a następnie jest nasycana tlenkiem wanadu. Po co to wszystko? Dla powierzchni. Jeden gram tej misternej konstrukcji, po hipotetycznym rozłożeniu na płasko, zająłby powierzchnię około dziesięciu kortów tenisowych. To właśnie ta gigantyczna powierzchnia pozwala na zmagazynowanie znacznie większej ilości ładunku.
Źródło: University of California
Opracowana bateria jest urządzeniem hybrydowym. Jeden jej biegun działa jak w klasycznym akumulatorze litowo jonowym, ale drugi wykorzystuje wspomnianą węglową elektrodę, typową dla superkondensatorów. Superkondensatory to sprinterzy w świecie magazynowania energii, ładują się i rozładowują w mgnieniu oka. Jednak energii przechowują tyle, co nic, właśnie przez ograniczoną powierzchnię. Projekt z UCLA skutecznie obchodzi to ograniczenie. Nowe ogniwo zachowało 82% swojej pojemności po 1500 cyklach ładowania i rozładowania, co jest wynikiem więcej niż obiecującym. Dodatkowo, naukowcy stawiają na cynk jako bardziej zrównoważoną alternatywę dla litu. Cynk jest około 100 razy bardziej powszechny w skorupie ziemskiej, a jego wydobycie i recykling są znacznie prostsze.
Jakby tego było mało, zespół badawczy opublikował przy okazji coś, co może okazać się równie ważne dla społeczności naukowej. Chodzi o wydrukowaną w 3D, szczelną komórkę testową. To odpowiedź na problem, z którym borykają się laboratoria na całym świecie. Standardowe szklane naczynia testowe kosztują ponad 1000 dolarów, więc większość zespołów polega na prowizorycznych, otwartych zlewkach. W takich warunkach elektrolit paruje, elektrody zmieniają położenie, a wyniki pomiarów są trudne do powtórzenia. Rozwiązanie od UCLA, dostępne jako projekt open source, zapewnia stabilne warunki i powtarzalność badań. W testach, standardowe elektrody w drukowanej komórce zachowały 98% ładunku po 1500 cyklach, podczas gdy w otwartym naczyniu uległy awarii po niespełna 100 cyklach. To pokazuje, że czasem najprostsze, dostępne dla każdego rozwiązania mogą pchnąć naukę do przodu równie mocno, co skomplikowane odkrycia.
Źródło: University of California
