Neliniștea legată de autonomie, reciclarea și temerile legate de încărcarea rapidă ar putea fi trecute în istorie datorită unei invenții australiene în materie de baterii bazate pe nanotehnologie.
Se susține că celulele de baterii cu ioni de aluminiu și grafenă de la Graphene Manufacturing Group (GMG), cu sediul în Brisbane, se încarcă de până la 60 de ori mai repede decât cele mai bune celule litiu-ion și păstrează de trei ori mai multă energie decât cele mai bune celule pe bază de aluminiu.
De asemenea, acestea sunt mai sigure, fără o limită superioară de amperi care să provoace supraîncălzirea spontană, mai durabile și mai ușor de reciclat, datorită materialelor de bază stabile. Testele arată, de asemenea, că bateriile de validare cu celule cu monedă durează de trei ori mai mult decât versiunile litiu-ion.
GMG plănuiește să lanseze pe piață pilele cu monede de aluminiu-ion cu grafenă la sfârșitul acestui an sau la începutul anului viitor, iar pilele cu pungă pentru automobile sunt planificate să fie lansate la începutul anului 2024.
Bazate pe o tehnologie revoluționară a Institutului australian de bioinginerie și nanotehnologie al Universității din Queensland (UQ), celulele bateriei folosesc nanotehnologia pentru a introduce atomi de aluminiu în interiorul unor perforații minuscule din planurile de grafen.
Testele efectuate de publicația de specialitate Advanced Functional Materials au concluzionat că celulele au „performanțe remarcabile la viteze ridicate (149 mAh g-1 la 5 A g-1), depășind toate materialele catodice AIB raportate anterior”.
Directorul general al GMG, Craig Nicol, a insistat asupra faptului că, deși celulele companiei sale nu sunt singurele celule cu ioni de aluminiu cu grafenă aflate în curs de dezvoltare, acestea sunt cu ușurință cele mai puternice, mai fiabile și cu cea mai rapidă încărcare.
„Se încarcă atât de repede încât este practic un super condensator”, a afirmat Nicol. „Încarcă o baterie cu monede în mai puțin de 10 secunde.”
Se pretinde că noile celule de baterii oferă o densitate de energie mult mai mare decât bateriile litiu-ion actuale, fără a se confrunta cu problemele de răcire, de încălzire sau de pământuri rare cu care acestea se confruntă.
„Până acum nu există probleme de temperatură. Douăzeci la sută dintr-un pachet de baterii litiu-ion (într-un vehicul) se referă la răcirea acestora. Există o șansă foarte mare să nu avem nevoie deloc de această răcire sau încălzire”, a susținut Nicol.
„Nu se supraîncălzește și funcționează frumos sub zero grade până acum în timpul testelor.
„Nu au nevoie de circuite pentru răcire sau încălzire, ceea ce reprezintă în prezent aproximativ 80 kg într-un pachet de 100 kWh.”
Noua tehnologie de celule, a insistat Nicol, ar putea fi, de asemenea, industrializată pentru a se potrivi în carcasele actuale cu litiu-ion, cum ar fi arhitectura MEB a Grupului Volkswagen, evitând astfel problemele legate de arhitecturile din industria auto, care tind să fie folosite timp de până la 20 de ani.
„Celulele noastre vor avea aceeași formă și voltaj ca și actualele celule litiu-ion, sau putem trece la orice formă este necesară”, a confirmat Nicol.
„Este un înlocuitor direct care se încarcă atât de repede încât este practic un super condensator.
„Unele celule litiu-ion nu pot funcționa mai mult de 1,5-2 amperi, altfel bateria poate exploda, dar tehnologia noastră nu are nicio limită teoretică.”
Celulele de baterii cu ioni de aluminiu sunt în plin proces de dezvoltare, în special pentru automobile.
Printre proiectele recente se numără o colaborare între Universitatea de Tehnologie Dalian din China și Universitatea din Nebraska, precum și altele de la Universitatea Cornell, Universitatea Clemson, Universitatea din Maryland, Universitatea Stanford, Departamentul de Știința Polimerilor de la Universitatea Zhejiang și consorțiul industrial european Alion.
Diferențele sunt foarte tehnice, dar celulele GMG folosesc grafenul obținut prin procesul de plasmă brevetat, mai degrabă decât grafitul tradițional, iar rezultatul este o densitate de energie de trei ori mai mare decât cea a următoarei cele mai bune celule, de la Universitatea Stanford.
Tehnologia cu ioni de aluminiu și grafit natural de la Stanford oferă 68,7 wați-oră pe kilogram și 41,2 wați pe kilogram, în timp ce spuma de grafit ajunge la 3000W/kg.
Acumulatorul GMG-UQ duce această valoare la 150-160 Wh/kg și 7000 W/kg.
„Ei (UQ) au găsit o modalitate de a face găuri în grafenă și o modalitate de a stoca atomii de aluminiu mai aproape unii de alții în găuri.
„Dacă facem găuri, atomii se lipesc în interiorul grafenului și acesta devine mult mai dens, ca o minge de bowling pe o saltea.”
Publicația Advanced Functional Materials a constatat că grafenul perforat la suprafață, cu trei straturi (SPG3-400) are „o cantitate semnificativă de mezopori în plan (≈2,3 nm) și un raport O/C extrem de scăzut de 2,54%, a demonstrat o performanță electrochimică excelentă.
„Acest material SPG3-400 prezintă o capacitate reversibilă extraordinară (197 mAh g-1 la 2 A g-1) și o performanță remarcabilă la viteze mari”, a concluzionat acesta.
Tehnologia aluminiu-ion are avantaje și dezavantaje intrinseci față de tehnologia preeminentă a bateriilor litiu-ion, utilizată în prezent în aproape toate vehiculele electrice.
Atunci când o celulă se reîncarcă, ionii de aluminiu se întorc la electrodul negativ și pot schimba trei electroni per ion, în loc de limita de viteză a litiului, care este de doar unul.
De asemenea, utilizarea pilelor cu ioni de aluminiu prezintă un avantaj masiv din punct de vedere geopolitic, al costurilor, al mediului și al reciclării, deoarece acestea nu folosesc aproape niciun material exotic.
„Este vorba practic de folie de aluminiu, clorură de aluminiu (precursorul aluminiului, care poate fi reciclat), lichid ionic și uree”, a spus Nicol.
„Nouăzeci la sută din producția și achiziția de litiu la nivel mondial se face încă prin China și 10 la sută prin Chile.
„Avem tot aluminiul de care avem nevoie chiar aici, în Australia, iar acestea pot fi fabricate în siguranță în prima lume.”
Cotată la bursa de valori TSX Venture din Canada, GMG s-a conectat la tehnologia de baterii aluminiu-ion cu grafenă a UQ, furnizând grafenă universității.
„Dr. Ashok Nanjundan, principalul nostru cercetător de produs, a fost implicat în proiectul Universității din Queensland, în cadrul centrului de cercetare în domeniul nanotehnologiei, la începuturile acestuia”, a declarat Nicol, recunoscând că GMG aproape că „a avut noroc” cu această tehnologie, furnizând gratuit grafenul său pentru proiectele de cercetare.
GMG nu a încheiat niciun contract de aprovizionare cu un producător sau o unitate de producție importantă.
„Nu suntem încă legați de marile branduri, dar acesta ar putea intra într-un Apple iPhone și să-l încarce în câteva secunde”, a confirmat Nicol.
„Noi vom introduce prima pe piață celula cu monede. Se reîncarcă în mai puțin de un minut și are o energie de trei ori mai mare decât cea cu litiu”, a declarat produsul Barcaldine.
„Este un efect negativ mult mai mic și asupra sănătății. Un copil poate fi ucis de litiu dacă este ingerat, dar nu și de aluminiu.”
Un alt beneficiu ar fi costul. Litiul a crescut de la 1460 USD pe tonă metrică în 2005 la 13.000 USD pe tonă în această săptămână, în timp ce prețul aluminiului a crescut de la 1730 USD la 2078 USD în aceeași perioadă.
Un alt avantaj este faptul că celulele de aluminiu-ion cu grafene GMG nu utilizează cupru, care costă aproximativ 8470 USD pe tonă.
Deși este deschisă la acorduri de producție, planul preferat al GMG este să „ruleze” tehnologia cât mai departe posibil, mai întâi cu centrale de 10 gigawați până la 50 gigawați, chiar dacă Australia ar putea să nu fie prima alegere logică pentru o unitate de producție.
Nu este nici singura companie din Brisbane care oferă soluții de baterii în lume.
Grupul PPK are o societate mixtă cu Universitatea Deakin pentru a dezvolta baterii litiu-sulfur, iar Grupul Vecco a confirmat un acord cu Shanghai Electric pentru o fabrică de producție în Brisbane pentru baterii cu vanadiu destinate stocării energiei comerciale.