Výzkumníci na MIT (Massachusetts Institute of Technology), pod vedením Yet-Ming Chianga vyvinuli nový způsob uskladňování energie pomocí jakéhosi hybridu dobíjecí baterie a palivového článku. Nová technologie využívá principu interkalace. Při něm volné ionty lithia jsou hostem a spolu s hostitelskou strukturou vytvářejí komplex (interkalát), v němž hustota energie dosahuje 300 až 500 Wh/ l (130 - 250 Wh/kg).

Zvětšit obrázek

Nový typ akumulátoru dovoluje oddělit komponenty s uskladněnou energií od místa, kde se energie získává. Parametr hustoty energie je ve srovnání s klasickou baterií o řád vyšší. Dizajn není ničím omezen protože přepravu aktivní složky z oddělených nádrží do míst, kde dochází k iontové výměně zajišťuje pulzní čerpadlo. (Kredit: M. Duduta a kol., MIT)

Na rozdíl od jiných článků, SSFC systém uskladňuje energii v suspenzi pevných částic. Přenos náboje se uskutečňuje na membráně tvořené nanosítí vodičů. Polotekutá lithiová suspenze v oddělených nádržích dovoluje pracovat s hustotou energie o jaké se klasickým bateriím s jiným elektrolytem ani nesní. Pokud by se tyto akumulátory vyráběly ve velkém, byla by jejich výroba při srovnatelných kapacitách konvenčních li-ionových baterií mnohem levnější.

Základní zjednodušená chemická reakce lithium-iontové baterie: 
 

Anoda je vyrobena z uhlíku, katoda je oxid kovu a elektrolyt je lithiová sůl v organickém rozpouštědle.

Zvětšit obrázek

Dr. Yet-Ming Chiang, vedoucí týmu a zakladatel úspěšné firmy A123. (Kredit: MIT)

Technické řešení většiny baterií se od návrhu galvanického článku Volty z roku 1800 moc neliší. Jde v nich v podstatě o málo ekonomické využití aktivních materiálů. Dokonce i největší hustota energie lithium-iontové baterie, která je v současné době na trhu (např. 2.8-2.9 Ah 18650), nedosahuje 600 Wh/l a objemově v něm aktivní materiál představuje méně než 50 %. Tato hustota energie, spolu s vyššími náklady spojené s jejich komplikovaným dobíjecím režimem (uvnitř každé baterie musí být čip, který hlídá stav a řídí průběh nabíjení), zhoršuje ekonomické parametry tohoto typu uskladňování elektrické energie.

Článek využívající „elektrolyt“ se 40 objemovými procenty dvou pevných látek v suspenzi, bude dosahovat těchto hustot energie:
•  LiCoO₂–Li₄Ti₅O₁₂ (při průměrném vybíjecím napětí 2.35 V) dosáhne hodnoty 397 Wh/l (168 Wh/kg);
•  LiNi_0.5Mn_1.5O₄–Li₄Ti₅O₁₂ (při průměrném vybíjecím napětí 3.2 V) dosáhne  hodnoty 353 Wh/l (150 Wh/kg);
•  LiCoO₂–grafit (při průměrném vybíjecím napětí 3.8 V) dosáhne hodnoty 615 Wh/l (309 Wh/kg).

Suspenze lithiového prášku, grafitového prášku a bezvodého elektrolytu má viskozitu medu a barvu asfaltu. (Kredit: M. Duduta)

Nový systém SSFC dramaticky zvyšuje hustotu energie zavedením pevné aktivní látky v kapalném elektrolytu. Za předpokladu, že obsah pevných látek v něm tvoří 50 %, objemová kapacita polotekuté suspenze se 5 - 20 krát zvyšuje. Může dojít i kdalšímu navýšení, protože kapacita je přímo úměrná napětí článku.
Autoři projektu předpokládají, že optimalizované SSFC systémy s interkalačními sloučeninami lithia budou mít energetickou hustotu 300 až 500 Wh/l (130 až 250 Wh/kg) a vyšší (podle obsahu pevných látek v suspenzi), což by mělo zajistit jejich rozšíření jako cenově bezkonkurenčních zdrojů energie pro elektromobily.
V případě zavedení technologie by SSFC systém měl nižší materiálové a výrobní náklady než jaké jsou u běžných lithium-iontových baterií. Podle propočtů by náklady na aktivní komponenty měly činit 10-15 dolarů na 1 kg. Kilogram elektrolytu by měl přijít na 14 dolarů. Zatímco cena uskladněné jedné kWh ve stávajících bateriích vychází zhruba na 200 dolarů, náklady na kWh^/1 u nového článku by měly klesnout na méně než polovinu (40-80 dolarů), tedy 680 – 1360 Kč.

Zvětšit obrázek

Princip interkalační sloučeniny (Kredit: Vítězslav Zíma, Univerzita Pardubice)

Nový článek, používá hustému kalu podobný materiál, který je uskladněn ve dvou oddělených nádržích. Anodový a katodový okruh jsou samostatné, propojuje je pouze  membrána. Polotekutá suspenze  obsahuje aktivní složku, kterou jsou lithiové nanočástice (oxid lithia a kobaltu), nanočástice uhlíku který zajišťuje vodivost a alkylkarbonát zajišťuje tekutost a vysokou viskozitu systému. Kromě toho, že je levný, má proti klasickým litiovým bateriím tento systém ještě jednu přednost. Zvýšení kapacity nevyžaduje další vícenáklady, stačí pouze zvětšit kapacitu zásobních nádrží.

Podle vědců ale tento článek není ještě vyladěn tak, aby spolehlivě pracoval za všech klimatických podmínek. Proto nyní vylepšují parametry stálosti viskozity za různých teplot a  s tím související shlukování nanočásteček tvořících suspenzi. Věří ale, že se jim vše podaří zdárně vyřešit.

Zda tento projekt projekt bude stejně úspěšný jako firma „A123 Systems“, kterou profesor Yet-Ming Chiang před několika lety také zakládal, je otázkou. Věří mu ale hodně mecenášů a jeho nový „start-up“ získal štědrý grant. Na dořešení zbývajících problémů pracují experti ze dvou význačných institucí MIT a  Rutgers University. Zájmu výrobců automobilů o výsledky Chiangovy skupiny se nelze divit, když uvážíme, že ve hře je vylepšení akumulace energie, která dnes tvoří zhruba třetinu ceny vyráběných elektromobilů a že navržené řešení by náklady srazilo na polovinu, navíc by to bylo něčím, co by umožňovalo snadné a rychlé dobíjení - pouhou „výměnou elektrolytu“ v nádržích. A jako bonus by šlo dojezd auta navyšovat podle potřeby pouhým „natankováním“ většího objemu suspenze...

Prameny:  Duduta, M., Ho, B., Wood, V. C., Limthongkul, P., Brunini, V. E., Craig Carter, W. and Chiang, Y.-M. (2011), Semi-Solid Lithium Rechargeable Flow Battery. Advanced Energy Materials, 1: n/a doi: 10.1002/aenm.201100152
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201100152/pdf
http://www.upce.cz/fcht/slchpl/vyzkum/interkalacni.html

 Podobný akumulátor na principu vanadu, jen o něco větší :