Slovensko
Médiá

Vývoj akumulátorov, ktoré budú poháňať budúcnosť

20160131_creating-chemistry_lab_manager.jpg
Riaditeľ laboratória Dr. Martin Schulz-Dobrick spolu s kolegyňou kontrolujú kvalitu elektródy.

V laboratóriu pre akumulátorové hmoty v japonskom meste Amagasaki výskumní pracovníci spoločnosti BASF vyvíjajú inovatívne materiály, ktoré zvýšia výkon lítiovo-iónových akumulátorov a zvýšia dojazd elektrických vozidiel.

Pondelok ráno, 9:00 h. Organický chemik dr. Masaki Sekine si sadá za počítač, aby si prečítal poštu od kolegov z Nemecka a ďalších krajín, s ktorými spolupracuje v rámci medzinárodnej siete zariadení spoločnosti BASF pre výskum a vývoj akumulátorových hmôt. Sekine pracuje v najnovšom prírastku tejto siete – v laboratóriu pre akumulátorové hmoty v japonskom meste Amagasaki, ktoré slávnostne otvorili začiatkom roku 2014. Od kolegov očakáva odozvu na svoje snahy vytvoriť „úplne novú molekulu, aká ešte nikdy neexistovala“.

Sekine je členom tímu, ktorý syntetizuje inovatívne látky, ktoré by bolo možné použiť ako prísady do elektrolytov – chemického nosiča, ktorý umožňuje prúdenie iónov lítia medzi kladnou elektródou akumulátora, teda katódou, a jeho zápornou elektródou, čiže anódou. Tieto nové prísady ovplyvňujú elektrochemické reakcie v akumulátore, v dôsledku čoho majú vplyv na jeho výkon.

To, aký druh prídavných látok Sekine vytvorí, závisí od toho, ktorú zložku akumulátora si zákazník želá posilniť. Množstvo zákazníkov laboratória predstavujú japonskí výrobcovia lítiovo-iónových batérií, ktorí vyvíjajú nové akumulátory pre elektrické automobily. Hľadajú preto vylepšenia, ako je vyššia hustota energie, väčšia stabilita pri vysokých teplotách či zvýšenie výkonu cyklu, teda počtu možných vybití a dobití.

Dr. Sekine využíva na vytvorenie novej prísady proces organickej syntézy. Syntéza prísady prebieha v rozpúšťadle. Po úspešnej reakcii sa musí rozpúšťadlo oddeliť.

„Čistenie prísady je náročná časť procesu,“ hovorí Sekine. „V mnohých prípadoch jednoducho nejde podľa plánu. A v mnohých prípadoch zasa jedno kolo čistenia nezabezpečí dostatočnú mieru čistoty, ktorá by spĺňala prísne špecifikácie stanovené pre akumulátorové prísady. Aj drobné nečistoty môžu totiž viesť k nekontrolovateľným reakciám a môžu výrazne poškodiť výkon batérie, napríklad zvýšiť riziko, že batéria sa pri nepoužívaní vybíja.“

Práca v rámci celosvetovej siete je stimulujúca a pomáha projektovým tímom rýchlo nachádzať riešenia. „Raz som sa dostal do slepej uličky s jednou syntézou,“ spomína Sekine. „Teoreticky bolo možných viacero ciest, ako syntézu uskutočniť, no nedokázal som ju sfunkčniť. Našťastie ma oslovil jeden kolega z Nemecka a navrhol alternatívnu katalytickú cestu, ktorá bola oveľa efektívnejšia.“ Takáto spätná väzba a otvorená spolupráca sú to najdôležitejšie. Preto ďalším krokom Dr. Sekina bude prediskutovať svoje výsledky s elektrochemickou skúšobnou skupinou v laboratóriu.

Testovanie 1, 2, 3, 4…

Jedným z členov skúšobnej skupiny je aj dr. Čen-Ťi Chanová, ktorá pochádza z čínskeho mesta Jan-ťi a členkou tímu sa stala v roku 2013. Pomáha pri vývoji elektrolytických prípravkov a vykonáva elektrochemické skúšky akumulátorov s využitím anódových materiálov novej generácie. A práve jej úlohou je testovanie najnovších syntetizovaných prísad. Dr. Chanová vezme novú prísadu do miestnosti pre zostavy akumulátorových článkov. Odetá do kombinézy a vyzbrojená ochrannými rukavicami a bezpečnostnými okuliarmi ju vmieša do pripraveného základného elektrolytu a následne vstrekne roztok do testovacieho článku. To jej umožní skúmať elektrochemické vlastnosti článku. Výkon batérie sa znižuje jej používaním, ale aj pôsobením času. Preto treba preskúšať každý z týchto aspektov, výkon, kalendárnu životnosť aj životnosť cyklu. Pri testovaní životnosti cyklu sa článok umiestni do cyklovača, kde sa niekoľko týždňov alebo mesiacov opakovane nabíja a vybíja.  

Chanová diskutuje o svojich zisteniach s laboratórnou skupinou, ktorá má na starosti syntézu. „Keďže vieme viac o chemických interakciách akumulátorov, vieme syntetizátorom odporučiť, ktoré časti prísad fungujú dobre a ktoré nie, a ako najlepšie prepracovať ich molekulárne štruktúry,“ vysvetľuje.

„Naše odborné znalosti v oblasti vývoja katódových a elektrolytických materiálov a naša schopnosť pracovať spoločne ako jeden tím nás odlišuje od ostatných.“

Dr. Martin Schulz-Dobrick, Riaditeľ Laboratória pre akumulátorové hmoty v japonskom meste Amagasaki

Spĺňanie rôznych potrieb

Veľká väčšina práce, ktorá sa vykonáva v laboratóriu, sa prispôsobuje presne podľa požiadaviek jednotlivých zákazníkov. A tu prichádza na scénu Hiromu Sugijama. Hlavný výskumný pracovník v oblasti vývoja katód pracuje priamo so zákazníkmi a pomáha im dosahovať ciele v oblasti výkonu. Do tejto činnosti patrí kontrola testovacích údajov katódových materiálov, ktorej cieľom je zistiť, či je obsah prechodného kovu vhodný pre určené úlohy, alebo skúmať, či veľkosť častíc danej látky urýchli alebo zabrzdí dosiahnutie výkonového cieľa. „Vždy musíme brať do úvahy to, ako katóda interaguje s ostatnými zložkami batérie,“ vysvetľuje Sugijama, ktorý je členom tímu od roku 2014. „Takže testovanie a analýza sa vykonávajú v úzkej spolupráci s ostatnými výskumnými tímami.“

Plné rozvinutie potenciálu e-mobility si bude vyžadovať akumulátory schopné poskytovať vyššiu hustotu energie, vyšší výkon a dlhšiu životnosť, a to bezpečne a za nižšie náklady. Na splnenie tejto úlohy spoločnosť BASF spojila sily s japonskou spoločnosťou TODA KOGYO CORP., ktorá je lídrom v oblasti vývoja a výroby aktívnych katódových materiálov pre lítiovo-iónové batérie. Spojením odborných znalostí spoločnosti BASF z oblasti výskumu a vývoja a portfólia katódových materiálov spoločnosti TODA vznikol spoločný podnik s názvom BASF TODA Battery Materials LLC, ktorý bude vyvíjať a vyrábať celý rad vyspelých katódových materiálov na plnenie rôznych požiadaviek. Katódy sa skladajú z drobných čiastočiek, ktorých tvar a veľkosť má vplyv na výkon. Kľúčom k dosiahnutiu optimálneho výsledku je regulácia týchto dvoch faktorov – a práve v tom vyniká spoločnosť TODA. Okrem elektrických vozidiel prinesú nové katódové materiály vyšší výkon aj do lítiovo-iónových batérií v spotrebnej elektronike a stacionárnych zariadeniach na ukladanie dát.

Ak sa chcete dozvedieť viac, navštívte stránku: www.basf.com/basf-todabattery-materials.

Všetko pod jednou strechou

„Laboratórium v Amagasaki je unikát v mnohých ohľadoch,“ hovorí riaditeľ zariadenia, Dr. Martin Schulz-Dobrick. „Ide o prvé zariadenie spoločnosti BASF v ázijsko-tichomorskom regióne, kde sa spája vývoj katódových materiálov, elektródových a elektrolytických materiálov s aplikačnými technológiami. Nielenže tu od piky vykonávame základný výskum týchto hmôt, ale zároveň pomáhame našim zákazníkom pri vytváraní prototypov batérií.“ Jedným z príkladov aplikačnej práce na špecifických potrebách zákazníka je spoločný vývoj receptu na elektrolyt. „Spoločne navrhujeme a vyrábame testovacie batérie, ktoré nám umožňujú testovať naše materiály v podmienkach blízkych potrebám našich zákazníkov, a tým aj urýchľovať celý ich vývoj,“ vysvetľuje šéf laboratória.

A navyše, čo je významné, v tomto zariadení sa spájajú rôzne oblasti výskumu pod jednou strechou. „To je veľká výhoda nášho laboratória,“ hovorí Schulz-Dobrick, ktorý prešiel do Japonska z nemeckej centrály spoločnosti BASF v roku 2013. „Naše odborné znalosti v oblasti vývoja katódových a elektrolytických materiálov a naša schopnosť pracovať spoločne ako jeden tím nás odlišuje od ostatných dodávateľov materiálov, ktorí dokážu vo všeobecnosti poskytnúť výrobcom batérií buď elektrolytické hmoty alebo katódové materiály. My sa špecializujeme na oboje.“

Na konci svojho životného cyklu v elektromobile má dobíjací akumulátor zvyčajne ešte 80 percent svojho náboja – čo je príliš veľa na zošrotovanie, no príliš málo na elektromobilitu. Aliancia za druhý život batérií Second Life Batteries Alliance chce názorne ukázať, že tieto akumulátory možno použiť na vybudovanie rozsiahleho skladovacieho systému elektriny z obnoviteľných zdrojov energie, ktorý bude dodávať elektrickú energiu v čase, keď nefúka vietor alebo nesvieti slnko. Spoločnosť BMW dodala do tohto pilotného projektu 416 dobíjacích akumulátorov zo svojho elektromobilu i3 e-car a výskumného vozidla ActiveE. Spoločnosť Bosch zodpovedá za integráciu akumulátorov a správu systému. Spoločnosť Vattenfall mala v decembri 2015 spustiť dvojmegawattovú úložnú jednotku, ktorá sa nachádza na termináli pre výletné lode v hamburskom prístave. Vďaka uskladnenej veternej energii má byť systém schopný dodávať elektrickú energiu 30 štvorčlenným domácnostiam po dobu siedmich dní.

Ak sa chcete dozvedieť viac, navštívte stránku: www.bit.ly/1Szzh5H.

Súvisiaci obsah