O echipă de ingineri americani a creat o baterie cu densitate energetică excepţională de 1,7 kWh/kg printr-o realizare chimică, dar există şi dezavantaje

Densitatea energetică a bateriilor e unul din cei mai importanţi parametri doriţi de ingineri, or, cu cât densitatea e mai mare, cu atât mai multă energie poate fi stocată într-o unitate de greutate sau de volum. O echipă de ingineri americani, de la universităţile Vanderbilt şi Maryland, au publicat datele unei elaborări fascinante — aceştia au reuşit să creeze o baterie cu densitate energetică excepţională, de 1,7 kWh/kg, printr-o realizare chimică ce merită explicată în detaliu, dar bateria are şi dezavantaje deocamdată.

Densitatea de 1,7 kWh/kg sau 1.700 Wh/kg, ar fi de circa 4-5 ori mai mare decât toate bateriile ultra performante moderne. Putem să ne imaginăm foarte simplificat ce înseamnă asta — dacă ne-am dori o baterie de doar 100 kg, e 5-7 ori mai puţin decât cântăresc cele de azi, ea ar avea 170 kWh capacitate de stocare. Asta ar fi suficient pentru o autonomie de peste 1.000 km la o maşină, mai ales că o asemenea baterie ar permite şi reducerea totală a greutăţii maşini cu sute de kilograme şi ar face-o mai eficientă.

Totuşi, inginerii care au creat bateria spun că densitatea pe care o anunţă aceştia e valabilă pentru materialul activ, nu pentru carcasa finală a bateriei şi nici măcar pentru celulă. Iar asta înseamnă că într-o eventuală producţie de serie cifra ar rămânea oricum impresionantă, dar n-ar mai fi de 1.700 Wh/kg.

Bateria pe care au dezvoltat-o ei e una pe bază de litiu şi sulf, deci, Li-S. Nu e o baterie de tip nou, ba chiar şi compania Lyten, cea care a preluat Northvolt-ul falimentar, se specializa în baterii Li-S, deşi nu le-a adus nici până acum la o producţie de scară mare.

Marele avantaj al acestor baterii e costul redus de fabricare, întrucât sulful e un material ieftin şi răspândit. Dar există şi dezavantaje, printre care o densitate energetică medie şi mai ales o tensiune mai joasă de operare, de doar aproximativ 2,00-2,05V, faţă de circa 3,4-3,8 V pentru celulele de litiu NMC. Tensiunea mai mică înseamnă că celulele ar trebuie grupate în număr mai mare pentru a obţine tensiunea finală dorită, mai ales în automobile moderne cu arhitecturi de 800V.

Toate cercetările din domeniul Li-S de până acum se concentrează de obicei pe îmbunătăţirea electroliţilor, a structurii electrozilor şi a perfecţionării altor elemente din baterie. Echipa despre care vorbim azi, însă, a venit cu o abordare radicală schimbând însăşi esenţa chimică a reacţiei.

În mod normal suflul schimbă doi electroni într-o asemenea baterie în procesul de încărcare şi descărcare. Se la S0 la S2-, şi invers. Echipa de ingineri, însă, a explorat posibilitatea de a oxida suflul şi mai mult, pentru a-l aduce la starea de S1+, activând efectiv încă un electron, al treilea.

Pentru asta, se foloseşte un electrolit ionic bogat în clorură, iar prezenţa clorului face ca reacţia chimică să se schimbe substanţial şi sulful de facă schimb de 3 electroni, nu de 2, de la S1+ la S2-. Astfel, deoarece sulful devine un material mult mai activ şi mai util, capacitatea specifică a acestui a crescut cu 58%, de la 1.165 mAh/gS până la 1.802mAh/gS.

Totodată, tensiunea celulei a crescut considerabil, de la 2,05V la 2,54V, iar asta schimbă enorm ecuaţia şi uzanţa ei pentru eventuale baterii cu mult celule.

Echipa a decis să producă şi o celulă în laboratorul lor, care n-a fi tocmai de precizie înaltă şi densitate maximă, dar necesară pentru testele mai realiste cu ea. Celula a avut 477 Wh/kg, ar cifra nu e neapărat relevantă pentru o viitoare producţie de serie, care ar putea fi făcută printr-un proces mult mai minuţios.

Ei bine, tensiunea şi reacţia chimică reversibilă ce determină această capacitate mai mare s-au confirmat experimental, cu măsurări ştiinţifice, publicate transparent. Dar, totuşi, există şi parametri mai puţini îmbucurători observaţi. Puterea de descărcare nominală e de doar 0,2 C, ceea ce înseamnă o putere în kW egală cu 20% din valoarea în kWh a capacităţii.

Pentru o maşină a căreia baterie ar trebui să fie capabilă de 200 CP, adică 147,1 kW putere, capacitatea ar trebuie să fie de 735 kWh. Asta înseamnă că până şi la o densitate energetică excepţională de 1.700 Wh/kg ea tot ar trebui să cântărească 432 kg. E oricum mai puţin decât bateriile actuale, iar autonomia la 735 kWh ar fi de vreo 4.300 km!

Dar mai există un alt dezavantaj mare. În laborator, celule a indicat o stare de sănătate de 78% după doar 100 cicluri, deci 22% degradare după 100 încărcări şi descărcări complete. E o durată de viaţă mult mai mică decât miile de cicluri pe care le pot susţine bateriile litiu-ion moderne. Dar, în acelaşi timp, dacă revenim la bateria de mai sus cu autonomie de peste 4.000 km, cele 100 încărcări ar duce-o la peste 400.000 km şi atunci durata de viaţă n-ar fi neapărat foarte mică în distanţă absolută.

Aşadar, echipa de ingineri a făcut o descoperire intrigantă a ceea ce se poate obţine prin antrenarea mai multor electronic. Acum le rămâne să decidă dacă ceea ce au descoperit merită dezvoltat mai departe la o baterie de serie pe bază de litiu şi sulf sau dacă acelaşi principiu ar putea fi folosit eventual şi la alte baterii, cu alte compoziţii, pentru a face şi acolo salturi imense de densitate energetică.