Bateriile siliciu-carbon, o tehnologie superioară, intră în sfârșit în dispozitive (ce îmbunătățiri aduc și cum funcționează)

Bateriile trec de fapt constant prin mici îmbunătățiri aduse de rafinarea unor procese de producție sau a chimiei lor interne. Acum este vremea pentru un pas ceva mai mare. Bateriile pe bază de amestec siliciu-carbon sunt o realitate, intră deja în telefoanele mobile și în curând le vom vedea peste tot.

Îmbunătățirea este de aproximativ 10% momentan. Este puțin? Vă așteptați la 50%? Sigur că oricine ar prefera cât mai multă “baterie” în același volum, dar 10% înseamnă mult în domeniul mașinilor electrice, de exemplu. Înseamnă o trecere de la 500 la 550 km autonomie maximă, să zicem, iar mulți producători vând o astfel de diferență pe bani mulți în plus și cu un nume precum “long range”.

Cum funcționează tehnologia siliciu-carbon? Iată o explicație mai pe înțelesul tuturor.

În primul rând, ea se bazează tot pe tehnologia Li-Ion. În varianta actuală, această tehnologia înseamnă că bateria are un catod de litiu și un anod de grafit. Litiul este cel mai puțin dens metal, este un material care eliberează foarte ușor electroni și de asta este preferat pentru baterii.

Atunci când bateria este la încărcat, ionii de litiu (de asta se numește tehnologia Litiu-Ion) călătoresc de la catod la anod, care este făcut din grafit, o formă de carbon. Grafitul reține ionii de litiu printre atomii săi, îi înghesuie prin propria sa structură. Ca analogie, este ca atunci când ambalezi niște obiecte fragile în puf din acela moale, ca să fie ținut acolo în siguranță pentru transport.

Atomii de grafit au și ei o capacitate maximă de ioni de litiu pe care îi pot integra printre ei. Când capacitatea aceasta este atinsă, bateria este considerată încărcată.

Apoi, când bateria începe să funcționeze, ioni de litiu sunt eliberați treptat dintre atomii de grafit ai anodului. Scapă de acolo, călătoresc printr-o substanță numită electrolit înapoi la catodul de litiu și această călătorie înseamnă de fapt mișcare a sarcinii electrice dintr-un punct în altul, ceea ce este definiția curentului electric.

Așa funcționează o baterie Li-Ion din prezent din telefonul nostru electric sau din mașinile electrice ale bogătanilor. Grafitul are și proprietatea că poate face această încărcare și descărcare de ioni de litiu de câteva mii de ori, de unde și durata de viață a unei baterii exprimată în cicluri de încărcare.

Ce se schimbă când nu mai faci anodul din grafit, ci din siliciu?

Păi, se pare că siliciul poate reține mult mai mulți ioni de Litiu în interiorul structurii sale. De 10 ori mai mulți, de fapt. Există o mărime fizică numită densitate energetică, măsurată în mAh pe gram, și este de 10 ori mai mare pentru siliciu. În plus, siliciul este un material foarte răspândit pe planeta noastră, este nepoluant, este ieftin, deci mai bun și pe acest plan pentru baterii.

Dacă vreți să intră în chimie, 6 atomi de grafit sunt necesari pentru a reține un singur ion de litiu. Așa este litiul, se zbate mult și este nevoie de 6 omuleți de grafit pentru a-l ține prizonier acolo pentru o vreme.

Siliciul, în schimb… siliciul este mult mai șmecher. Un singur atom de siliciu poate reține în jurul său 4 ioni de litiu. Siliciul este ca un bodyguard mare de tot care înșfacă deodată vreo 4 clienți firavi ca să-i dea afară din club.

Ca să o luăm altfel, 6 atomi de grafit rețin un ion de litiu, dar 6 atomi de siliciu rețin 24 de ioni de litiu. Numerele acestea nu se păstrează fix așa din considerente de molecule diferite și alte principii chimice, dar per total rezultă că siliciul ar fi de vreo 10 ori mai capabil să înmagazineze energie decât grafitul.

Și atunci de ce noile baterii nu sunt de 10 ori mai bune?

Există o problemă. Întotdeauna există o problemă care trebuie cumva rezolvată, că altfel am fi avut de la început baterii pe bază de siliciu, proprietățile acestuia în acest scop fiind cunoscute încă de prin 1970.

Siliciul crește foarte mult în volum atunci când primește ioni de litiu. Asta este cumva normal. Poate accepta atât de mulți ioni încât se dilată. Este ca o mulțime de oameni printre care intră de 4 ori mai mulți oameni (mari), normal că nu va mai putea ocupa același spațiu.

Siliciul își mărește volumul de 3 ori, de fapt. Problema este că această dilatare și contracție de volum îl face casant, că nu-i un material prea elastic. Un anod din siliciu pur ar rezista foarte puțin timp pentru că s-ar sparge prin umflarea cu ioni de litiu.

Așa că cercetările recente în domeniul bateriilor SiC s-au concentrat pe altă direcție. Prin amestecarea siliciului cu carbon, chimiștii au reușit să-i dea siliciului noi forme numite nano-structuri. Mai exact, au “turnat” aliajul de siliciu-carbon în formă de nano-tuburi, de filamente și de sfere.

Aceste forme sunt făcute posibile de ranforsarea siliciului cu atomi de carbon, care natural se așează în astfel de structuri. Avantajul lor este că acum au flexibilitatea de a primi printre ele ioni de litiu fără a dilata prea mult.

Altfel spus, au fost nevoiți să reducă mult cantitatea de siliciu din anod și să-i dea altă formă cu ajutorul carbonului. Se pare că a rămas siliciu cât pentru o creștere de 10% față de vechea tehnologie. Bună și aceea, mai ales dacă prețul va scădea un pic. Mi se pare și că există potențial pentru viitor de a îmbunătăți suplimentar densitatea prin jocul cu carbonul.

Cercetarea în domeniul siliciu-carbon s-a făcut pe multe planuri. Porsche a investit puternic într-o astfel de companie pentru a obține baterii mai bune pentru mașini electrice, dar cred că toți au făcut același lucru direct sau indirect.

Zilele trecute, Honor a anunțat Magic5 Pro. CEO-ul companiei a vorbit despre avantajele tehnologiei Siliciu-Carbon pentru telefoane. Se pare că Magic5 Pro este vândut în China cu o astfel de baterie.