Lietadlo na elektrický pohon, možné s novou generáciou batérií - Go4IT
Aj keď čisté, elektricky poháňané lietadlá doteraz nedokázali nahradiť konvenčné, lítiový batériový systém dodávanej energii pridával príliš veľkú váhu.
V prípade elektromobilov nemusí byť skutočnosť, že mestský kompakt po pridaní lítium-iónových batérií dokáže dosiahnuť váhu limuzíny, elektromotory s výrazne vyššou účinnosťou ako tie so spaľovaním, ktoré kompenzujú mimoriadnu hmotnosť. Rovnaká stratégia ale nemôže fungovať pre lietadlá, ktoré jednoducho nemohli vzlietnuť s príliš veľkou hmotnosťou.
Na to, aby osobné lietadlo mohlo vzlietnuť, ekonomicky prepraviť veľký počet cestujúcich a pristáť stovky kilometrov ďaleko, je v súčasnosti petrolej ideálne palivo, ktoré je nákladnejšie, ale s bezkonkurenčným pomerom hustoty energie a pridanej hmotnosti na palube. Keby na druhej strane dopravné lietadlá používali akumulátory vážiace tisíce kilogramov, zostávajúca kapacita pre prepravu osôb by sa znížila na nehospodárnu úroveň. Ak vezmeme do úvahy aj náklady na batérie, investícia je od začiatku pre každú leteckú spoločnosť škodlivá.
Aj pre relatívne malé lietadlá, ako sú napríklad dvojmiestne cvičné lietadlá, celková hmotnosť batérií obmedzuje užitočné zaťaženie, dolet a pravdepodobne aj manévrovateľnosť lietadla. Elektrické lietadlá sa teda v súčasnosti obmedzujú na lety na krátke vzdialenosti uskutočňované na predvídateľných trasách, ktoré nevyžadujú starostlivo vypočítaný letový plán.
Zníženie hmotnosti batérie by bolo výhodou nielen pre letectvo, ale aj pre ďalšie elektrické vozidlá, ako sú osobné, nákladné automobily, autobusy a člny, ktorých výkon priamo súvisí s pomerom medzi energiou a hmotnosťou použitých batérií.
Nový typ akumulátora, ktorý bol vyvinutý od roku 2004 britskou spoločnosťou Oxis Energy, by mohol vyriešiť problém s hmotnosťou a viac ako zdvojnásobiť energetickú hustotu lítium-iónových batérií.
Samostatne povedané, síra a lítium sú vysoko reaktívne až výbušné prvky, ktoré môžu v prírode existovať iba v spojení s inými látkami. Odborníci v oblasti batériových technológií však hľadajú práve reaktivitu týchto dvoch látok. Výzvou je získať batérie, ktoré poskytujú požadovanú úroveň výkonu bezpečne a bez rýchlej degradácie po opakovaných cykloch nabíjania/vybíjania.
Čo obsahujú nové batérie Li-Sulf:
- Kladná elektróda, známa ako katóda, absorbuje elektróny počas výboja. Je pripojený k hliníkovému zberaču prúdu pokrytému zmesou uhlíka a síry. Síra je aktívny materiál, ktorý sa zúčastňuje na elektrochemických reakciách. Je to však tiež elektrický izolátor, takže uhlík, vodič, dodáva elektróny tam, kde sú potrebné. Existuje tiež malé množstvo spojiva, ktoré zaisťuje, že síra a uhlík zostávajú pohromade v katóde.
- Záporná elektróda alebo anóda uvoľňuje elektróny počas výboja. Je pripojený k čistej lítiovej fólii. Lítium tiež funguje ako zberač prúdu, ale je to tiež aktívny materiál, ktorý sa zúčastňuje na elektrochemickej reakcii.
- Pórovitý oddeľovač zabraňuje dotyku dvoch elektród, čo by spôsobilo skrat a poškodenie batérie. Separátor sa kúpal v elektrolyte obsahujúcom lítne soli.
- Elektrolyt uľahčuje elektrochemickú reakciu tým, že umožňuje pohyb iónov medzi dvoma elektródami.
- Komponenty sú balené vo veľmi kompaktnom balení, zvonku chránené plastovou fóliou. Články je možné zapojiť postupne - sériovo aj paralelne - a sú balené v batériách s kapacitou 20 Ah a 2,15 voltov. Pre veľké vozidlo, ako je lietadlo, sa takéto obaly používajú spoločne na získanie napätia niekoľko stoviek voltov, respektíve desiatok alebo stoviek ampérov.
V porovnaní s lítium-iónovou technológiou sú sírne batérie neobvyklé, pretože pri vybití prechádzajú niekoľkými fázami a vytvárajú rôzne molekulárne zlúčeniny lítia a síry. Keď sa článok vybije, ióny lítia v elektrolyte migrujú na katódu, kde sa spoja so sírou a elektrónmi za vzniku polysulfidu Li2S8. Medzitým sa anóda, molekuly lítia vzdávajú elektrónov, aby vytvorili kladne nabité ióny lítia; tieto uvoľnené elektróny sa potom pohybujú cez vonkajší obvod - náboj - ktorý ich vedie späť na katódu. V elektrolyte Li2S8 okamžite reaguje s iónmi lítia a elektrónmi za vzniku nového polysulfidu Li2S6. Proces pokračuje a prechádza ďalšími polysulfidmi, Li2S4 a Li2S2, z ktorých sa nakoniec stane Li2S. V každej fáze sa uvoľňuje užitočná energia, kým sa bunka úplne nevybije.
Dobíjanie je inverznou reakciou k vyššie opísanej sekvencii, ktorá vedie k produkcii lítiových iónov, ktoré difundujú elektrolytom a nakoniec vytvárajú kovový lítium.
Tento popis je zjednodušený. V skutočnosti sú reakcie zložitejšie a početnejšie, prebiehajú ako v elektrolyte, tak aj na anóde. V skutočnosti sú to počas mnohých nabíjacích a vybíjacích cyklov vedľajšie účinky, ktoré spôsobujú degradáciu v článku na výrobu sulfidu lítneho.
O tom, či budú batérie so sulfidom lítnym úspešné alebo nie, rozhodnú tri faktory. Prvým je úspešná integrácia batérií do niekoľkých typov lietadiel, aby sa demonštroval princíp. Druhým je neustále zdokonaľovanie bunkovej chémie. Po tretie, ide o neustále znižovanie nákladov. Veľkým plusom v tomto ohľade je, že síra je veľmi lacný a ľahko získateľný materiál. Vývojári tejto technológie dúfajú, že v priebehu času klesnú náklady na používanie batérií Li-Sulf pod cenu v súčasnosti používaných riešení Li-Ion.