Nowy etap w alternatywach dla litu

Czy technologie bateryjne pozbawione litu mają szansę na zreorganizowanie rynku? Właśnie otrzymaliśmy kolejny argument potwierdzający, że jest to możliwe! Projekt INNOBATT to inicjatywa badawczo-rozwojowa Fraunhofer IISB, której celem jest stworzenie pierwszego kompletnego systemu bateryjnego opartego na technologii aluminium-graphite-dual-ion. Co dokładnie się wydarzyło i jakie nadzieję można z tym wiązać?

Już nie tylko teoria

Projekt INNOBATT otwiera zupełnie nowy etap w rozwoju technologii bateryjnych pozbawionych litu. To pierwsze na świecie udane wdrożenie kompletnego systemu wysokoprądowego aluminium-graphite-dual-ion (AGDIB), obejmującego nie tylko same ogniwa, lecz także pełną, działającą integrację z elektroniką sterującą, modułem komunikacji oraz zaawansowaną metrologią. O ile przez lata aluminium-jon pojawiało się głównie w publikacjach naukowych jako ciekawa, ale odległa alternatywa dla Li-ion, o tyle dzisiejszy demonstrator stanowi dowód, że technologia ta może wejść w fazę praktycznych zastosowań.

Fundamentalnym atutem chemii aluminium-ion w wydaniu Fraunhofera jest jej naturalna odporność na zapłon oraz wykorzystanie materiałów tanich, dostępnych i niepodlegających gwałtownym wahaniom cenowym. Aluminium jako anoda i naturalny grafit jako katoda tworzą układ, który choć nie konkuruje o najwyższą gęstość energii, to przewyższa większość współczesnych technologii pod względem zdolności do przenoszenia bardzo wysokich mocy. W testach laboratoryjnych osiągano gęstości mocy przekraczające 9 kW/kg, a jedno z najbardziej imponujących osiągnięć (żywotność przekraczająca 10 tysięcy cykli przy pełnym zakresie głębokości rozładowania) plasuje AGDIB wśród rozwiązań o wyjątkowej trwałości operacyjnej. Duża stabilność elektrolitu oraz niemal idealna efektywność coulombowska wskazują na to, że technologia ta może funkcjonować przez wiele lat w trybach, które dla konwencjonalnych ogniw litowych są mocno obciążające.

Od pojedynczego ogniwa do kompletnego systemu

Największym wyzwaniem dla nowych chemii bateryjnych nie jest sama konstrukcja ogniwa, lecz zdolność do zbudowania pełnego systemu, który w realistycznych warunkach będzie w stanie zachować stabilność i powtarzalność parametrów pracy. INNOBATT rozwiązał ten problem w sposób kompleksowy. Opracował moduł bateryjny w konfiguracji 4s2p, gdzie zintegrowano osiem pouch cell AGDIB, przygotowanych w oparciu o zoptymalizowaną konstrukcję elektrod i ulepszone procesy wytwarzania. Choć ogniwa wciąż produkowano metodami z udziałem czynnika ludzkiego, udało się uzyskać pełną zgodność parametrów. Wskazuje to, na dużą tolerancję chemii na nieciągłości procesowe oraz potencjalnie prostszą ścieżkę skalowania do produkcji masowej niż w przypadku wielu innych technologii alternatywnych.

Bezprzewodowy BMS i kwantowy czujnik prądu jako fundament nowej architektury

Równolegle z pracą nad ogniwami, zespół Fraunhofera zajął się stworzeniem systemu sterowania dostosowanego do charakterystyki wysokoprądowej. Zastosowany bezprzewodowy BMS oparty na foxBMS® eliminuje konieczność prowadzenia szeregu przewodów sygnałowych, które w klasycznych systemach stanowią jedno z głównych źródeł awarii. Komunikacja radiowa umożliwia przesyłanie danych z poszczególnych ogniw do jednostki nadrzędnej przy zachowaniu wysokiego poziomu cyberbezpieczeństwa oraz odporności na zakłócenia.

Integralnym elementem systemu stał się diamentowy czujnik prądu wykorzystujący centra NV. To rozwiązanie, które znacząco rozszerza zakres pomiarowy i pozwala na rejestrowanie zarówno bardzo małych fluktuacji diagnostycznych, jak i ekstremalnych skoków prądowych typowych dla usług regulacji częstotliwości. Precyzja pomiarowa w pięciu rzędach wielkości umożliwia prowadzenie zaawansowanej analityki kondycji ogniw w czasie rzeczywistym i pozwala ocenić, jak technologia AGDIB radzi sobie z dynamicznymi profilami obciążenia generowanymi przez rzeczywistą sieć elektroenergetyczną.

Wyniki testów

Przeprowadzone testy z wykorzystaniem rzeczywistych danych częstotliwości wykazały, że system AGDIB jest w stanie pracować pod dynamicznymi obciążeniami rzędu 10C bez oznak niestabilności czy degradacji o charakterze lawinowym. To parametr niezwykle istotny, ponieważ większość stosowanych dzisiaj technologii bateryjnych wymaga znacznego przewymiarowania modułów, aby utrzymać podobne poziomy mocy chwilowej. Alternatywnie musi być łączona z superkondensatorami, które przejmują obciążenia impulsowe. Aluminium-ion w wydaniu Fraunhofera łączy te cechy w jednym rozwiązaniu, przy zachowaniu długowieczności i relatywnie niskich kosztów materiałowych. Testy potwierdziły także powtarzalność odpowiedzi modułu na szybkie zmiany obciążenia. To czynnik kluczowy dla przyszłych aplikacji takich jak wirtualna inercja, funkcje natychmiastowej rezerwy czy stabilizacja częstotliwości w sieciach o dużym udziale OZE.

Recykling jako naturalny element projektowy

W przeciwieństwie do wielu współczesnych technologii, w których recykling projektuje się dopiero po opracowaniu produktu, w INNOBATT strategia odzysku materiałów była integralną częścią całego procesu. Konstrukcja modułu umożliwia jego łatwy demontaż, a separacja elektrody aluminiowej i grafitowej może odbywać się metodami fizycznymi, bez konieczności używania toksycznych kwasów czy wysokotemperaturowych procesów. Ułatwia to domknięcie obiegu surowców i znacząco zmniejsza ślad środowiskowy.

Wprowadzenie kompletnego systemu AGDIB jest sygnałem, że nadchodzi nowa kategoria magazynów energii. Tu liczy się nie tylko konkurencja bezpośrednio z technologiami litowymi, lecz uzupełnianie w obszarach, w których podstawowe znaczenie ma natychmiastowa dostępność mocy, niska degradacja przy mikrocylkach i wysoka stabilność operacyjna.