Jak to działa?

Tradycyjne akumulatory zawierają najczęściej szkodliwe dla środowiska naturalnego chemikalia. Poprzez skonstruowanie tego nietypowego akumulatora zespół naukowców z Maryland może przyczynić się do rozwiązania tego problemu. Składa się on z cienkiej warstwy cyny, która została osadzona na przewodzących prąd elektryczny włóknach drzewnych. Badacze udowodnili, że ich wynalazek działa skutecznie w roli anody dla akumulatorów sodowo-jonowych.

Miękki charakter włókien drzewnych powoduje skuteczne uwalnianie naprężeń mechanicznych związanych z procesem powstawania jonów, a porowata struktura pełni funkcję zbiornika elektrolitu, co umożliwia transport jonów przez zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnię włókien.

Skąd pomysł na wykorzystanie drewna?

Na to pytanie dr Zhu odpowiada następująco: "Pomysł zastosowania włókien drzewnych wynika z problemów związanych z dotychczas stosowanymi akumulatorami sodowo‑jonowymi. Ludzie chcą korzystać z cyny jako anody dla tego typu baterii, ponieważ ma ona największą pojemność oraz jest tania, jednak nie wytrzymuje zbyt dużej ilość cykli rozładowywania i ładowania akumulatora. Wynika to z tego, że gdy jon sodowy przekazuje ładunek atomowi cyny, tworzy się stop, a jej objętość rośnie o 420%. Kiedy jon sodowy uwalnia się przy rozładowywaniu akumulatora, objętość wraca do normy. Z powodu tych zmian objętości, konstrukcja akumulatora nie wytrzymuje mechanicznie, co skutkuje słabymi wynikami baterii sodowo‑jonowych. Dlatego wpadliśmy na pomysł wykorzystania miękkiego materiału do konstrukcji akumulatora ‑ uznaliśmy, że w teorii powinno to rozwiązać problem wynikający ze zmiennej objętości. Tym materiałem jest celuloza pochodząca z drewna. Ponadto, celuloza naturalnie przenosi jony sodu, co pomaga akumulatorowi sodowo‑jonowemu rozładowywać i ładować się szybciej, ponieważ zapewnia alternatywne trasy dla jonów."

Zalety "drewnianego" akumulatora

"Największą zaletą naszego akumulatora jest rola, jaką odgrywają wykorzystane włókna drzewne. Są zarówno mechanicznym buforem, zbiornikiem dla jonów, oraz posiadają porowatą strukturę." ‑ mówi dr Zhu ‑ "Nasza konstrukcja utrzymuje się dłużej niż tradycyjne baterie sodowo‑jonowe. Umożliwia również oczywiście wielokrotne ładowanie."

W publikacji opisującej ten akumulator znajduje się informacja, że podczas 400 cykli rozładowywania i ładowania konstrukcja akumulatora nie uległa uszkodzeniu, zatem teoretyczne założenia naukowców potwierdziły się.

Dr Zhu: "Materiały, które wykorzystaliśmy przy konstrukcji naszego akumulatora, czyli sód, cyna i drewno, występują powszechnie. Sprawia to, że akumulator jest tani w produkcji. Metoda jego wytwarzania, która opracowaliśmy, jest skalowalna. Zatem wyprodukowanie większego modelu nie będzie problemem."

Zastosowania wynalazku - potencjał rynkowy

"Akumulatory sodowo‑jonowe mogą być wykorzystywane do magazynowania energii elektrycznej, na przykład w elektrowniach wiatrowych, lub miejscach wykorzystujących ogniwa słoneczne do produkcji elektryczności." ‑ mówi dr Zhu ‑ "Wierzę, że nasz projekt może zostać skomercjalizowany. Przemawia za tym przede wszystkim niski koszt produkcji akumulatora. Jednak na obecnym etapie koncentrujemy się na badaniach."