Stres cieplny niszczy akumulatory elektryków. Pomóc mają bakterie
Letnie upały to obciążenie nie tylko dla ludzi, ale i dla maszyn, a zwłaszcza tych, które produkują dużo ciepła, między innymi z uwagi na pracę silników czy zasilanie energią elektryczną. W samochodach elektrycznych najmocniej odczuwa je akumulator, który sam w sobie jest źródłem ciepła, a w wysokich temperaturach coraz trudniej mu się go pozbyć.
Naukowcy z USA poszukują rozwiązania wśród bakterii produkujących materiał, który ma odprowadzać ciepło znacznie szybciej niż dzisiejsze rozwiązania.
Dlaczego upał szkodzi akumulatorom samochodów elektrycznych?
Akumulator litowo-jonowy produkuje ciepło podczas ładowania i pod obciążeniem - a im goręcej na zewnątrz, tym trudniej mu się go pozbyć. Problem w tym, że nowoczesne ogniwa litowo-jonowe pracują niezawodnie tylko w wąskim zakresie temperatur, mniej więcej od 15 do 35 stopni Celsjusza. Powyżej tej granicy akumulator starzeje się szybciej, co przekłada się na spadek pojemności i krótszy zasięg w dłuższej perspektywie.
Między ogniwem a układem chłodzenia znajduje się tak zwany materiał interfejsu termicznego, który wypełnia mikroskopijne szczeliny powietrzne i poprawia przepływ ciepła z baterii do systemu chłodzenia. To właśnie ten element wzięli na warsztat badacze z University of Tennessee.
Bakterie, które produkują materiał chłodzący
Punktem wyjścia jest celuloza bakteryjna - drobne włókna, które niektóre bakterie wytwarzają samodzielnie, jeśli nakarmić je cukrem. Naukowcy hodują te włókna w obecności fluorografenu, dwuwymiarowego krewniaka grafenu. W trakcie budowania celulozy całość układa się w silnie uporządkowaną strukturę, po której później wędruje ciepło.
Sam transport ciepła zapewnia nie celuloza, lecz właśnie fluorografen. Materiał ten dobrze przewodzi ciepło, ale prawie nie przewodzi prądu - i to jest w akumulatorze rzecz fundamentalna. Materiał przewodzący ciepło musi tam jednocześnie izolować elektrycznie, bo inaczej grożą zwarcia. Z tego powodu znacznie lepiej znany grafen w tej roli nie sprawdzi się dobrze. W razie potrzeby do struktury można też wbudować cząstki tlenków metali, również pochodzące od bakterii karmionych cukrem i solami metali.
Co pokazały badania w sprawie bakterii w akumulatorach?
Praca ukazała się na początku maja w czasopiśmie "Matter". W laboratorium materiał osiągnął przewodność cieplną do 6 W w kierunku prostopadłym. Dla akumulatora liczy się ta wartość, bo ciepło musi przejść w poprzek materiału do układu chłodzenia. Sześć watów to wynik przyzwoity, ale nie spektakularny.
Jest też jedno, ważne ograniczenie. Zmierzono właściwość materiału, a nie realną wydajność chłodzenia. To, że materiał lepiej przewodzi ciepło, nie oznacza automatycznie, że bateria pozostanie chłodniejsza - to zależy od całej konstrukcji, czyli grubości warstwy, powierzchni kontaktu, płyty chłodzącej i przepływu powietrza.
Kiedy materiał trafi do samochodów?
Na razie nie ma mowy o gotowym produkcie. Wytworzenie jednego kawałka materiału zajmuje obecnie od kilku dni do kilku tygodni. Zanim będzie można myśleć o zastosowaniu, zespół chce obniżyć koszty i przyspieszyć produkcję - jak mówi kierujący badaniami Weinan Xu, z partnerami przemysłowymi sprawdzane jest już, czy proces da się przeskalować na potrzeby elektroniki i akumulatorów, na przykład w samochodach czy dronach.
Atutem metody są warunki, w jakich powstaje materiał. Proces przebiega w temperaturze pokojowej, w wodzie, podczas gdy tradycyjne materiały często wymagają agresywnej chemii i wysokich temperatur. Poza chłodzeniem baterii Xu widzi też inne pola zastosowań - od odzysku metali ziem rzadkich po technikę medyczną.
