Świat technologii nieustannie łaknie postępu, a jednym z najkrytyczniejszych obszarów, gdzie innowacje są nie tylko pożądane, ale i niezbędne, jest magazynowanie energii. Nasze współczesne baterie, pomimo dziesięcioleci udoskonaleń, często z trudem nadążają za rosnącymi wymaganiami zaawansowanych technologii, takich jak pojazdy elektryczne czy zastosowania w ekstremalnych warunkach. Ale w tym pełnym wyzwań środowisku rodzą się idee, które mają potencjał, by od podstaw zmienić reguły gry.

Jedna taka iskra innowacji zapłonęła na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego (UC San Diego), podsycana niezwykłą ciekawością pewnego absolwenta. Obserwując zwykłą puszkę sprężonego powietrza do czyszczenia klawiatur, zastanawiał się, czy podobna zasada mogłaby znaleźć zastosowanie w świecie baterii. Ta początkowa koncepcja, wspierana przez uniwersytecki ekosystem, który pielęgnuje badania i swobodę twórczą, przerodziła się w obiecującą nową technologię bateryjną, zdolną znacząco poprawić wydajność, bezpieczeństwo i wszechstronność baterii. Ta historia ilustruje, jak fundamentalna ciekawość, przy odpowiednim wsparciu, może prowadzić do rewolucyjnych odkryć.

Potrzeba energetycznego renesansu w przemyśle bateryjnym

Istniejąca technologia litowo-jonowa, skomercjalizowana ponad trzy dekady temu, napotyka na nieodłączne ograniczenia. Chociaż osiągnięto znaczną poprawę gęstości energii i redukcję kosztów, głównie dzięki postępom w procesach produkcyjnych, fundamentalna chemia – opierająca się na anodzie grafitowej, katodzie z tlenku metalu i ciekłym elektrolicie – pozostała w dużej mierze niezmieniona. Pierwotnie zaprojektowane dla elektroniki użytkowej, takiej jak telefony komórkowe i laptopy, baterie te są obecnie masowo integrowane w znacznie większe systemy, takie jak pojazdy elektryczne, co narzuca potrzebę radykalnych zmian w składzie chemicznym.

Eksperci na całym świecie badają różne alternatywy, w tym anody krzemowe, katody siarkowe oraz elektrolity stałe. Każde z tych podejść niesie ze sobą własne zalety i wady. Na przykład elektrolity stałe obiecują większą gęstość energii i bezpieczeństwo, ale ich masowa produkcja mogłaby być droższa i wymagać dłuższego czasu rozwoju. Dlatego poszukiwania transformacyjnej technologii, która zaspokoi przyszłe potrzeby energetyczne, są intensywniejsze niż kiedykolwiek. Prawdopodobnie do różnych zastosowań będzie wykorzystywana kombinacja wielu technologii – najwyższej klasy pojazdy elektryczne, bardziej przystępne cenowo samochody, statki powietrzne i drony będą miały specyficzne wymagania, którym dzisiejsza technologia z trudem może sprostać.

South 8 Technologies: Rewolucja ze skroplonym gazem

W tym dynamicznym środowisku wyróżnia się firma South 8 Technologies, startup założony i prowadzony przez byłych studentów UC San Diego. Ich najważniejszym wkładem jest opatentowana technologia elektrolitu ze skroplonym gazem (Liquefied Gas Electrolyte lub LiGasⓇ), która została uznana za jeden z 200 najlepszych wynalazków 2024 roku według magazynu TIME. Zastępując konwencjonalne ciekłe elektrolity w bateriach litowo-jonowych skroplonymi gazami, baterie South 8 osiągają światowy rekord w zakresie temperatur roboczych: od -60 do +60 stopni Celsjusza. Dla porównania, standardowe baterie litowo-jonowe tracą wydajność już przy 0 lub -10 stopniach Celsjusza.

Oprócz imponującej odporności temperaturowej, baterie te oferują również większą gęstość energii na ogniwo oraz znacznie poprawione bezpieczeństwo. Cyrus Rustomji, dyrektor naukowy i współzałożyciel South 8, który uzyskał doktorat w Jacobs School of Engineering na UC San Diego w 2015 roku, podkreśla jeszcze jedną kluczową zaletę: materiały potrzebne do produkcji baterii LiGasⓇ, w tym dostępne na rynku gazy przemysłowe, są produkowane w dużych ilościach na terenie USA. Eliminuje to zależność od zagranicznych dostawców, co jest znaczącym krokiem w kierunku niezależności energetycznej i bezpieczeństwa łańcucha dostaw. Rustomji założył firmę wraz z koleżanką, również byłą studentką nanoinżynierii na UC San Diego, Jungwoo Lee.

Od puszki sprężonego powietrza do przełomu technologicznego

Początkowe odkrycie, które doprowadziło do technologii LiGasⓇ, miało miejsce podczas studiów doktoranckich Rustomjiego na UC San Diego. Jak sam mówi, pomysł przyszedł mu do głowy, gdy siedział przy biurku. "Być może znacie te małe puszki sprężonego powietrza, którymi czyści się klawiatury. Patrzyłem na jedną z nich i zastanawiałem się, co właściwie jest w środku. Odwróciłem puszkę i przeczytałem: 'difluoroetan'."

Difluoroetan, jak szybko zrozumiał Rustomji, jest unikalnym gazem, który można skroplić pod umiarkowanym ciśnieniem. Nie jest toksyczny, ale jest wystarczająco polarny, aby rozpuszczać sole, co jest kluczową właściwością elektrolitu. Ponieważ jest zasadniczo gazem, nie zamarza aż do ekstremalnie niskich temperatur. "Zastanawiałem się, czy mogłoby to umożliwić stworzenie niskotemperaturowego elektrolitu – ciekłego wewnątrz ogniwa pod ciśnieniem – i tym samym otworzyć przestrzeń dla zastosowań baterii działających w ultra-niskich temperaturach," wspomina Rustomji. Dalsze badania potwierdziły jego przypuszczenia, odkrywając niezwykłą wydajność w niskich temperaturach.

Z czasem zespół zdał sobie sprawę, że ta technologia oferuje również inne korzyści, takie jak większe bezpieczeństwo, gęstość energii i zdolność szybkiego ładowania, co jest szczególnie ważne dla pojazdów elektrycznych. "Zrozumieliśmy, że naprawdę możemy coś z tym zrobić," mówi Rustomji. Decyzja o założeniu firmy South 8 Technologies była logiczną konsekwencją, mającą na celu komercjalizację tej obiecującej technologii.

Rola wsparcia uniwersyteckiego i finansowania

Rozwój technologii LiGasⓇ nie byłby możliwy bez silnego wsparcia Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Rustomji podkreśla doskonałość tamtejszej szkoły inżynierskiej i nieocenione mentorstwo profesor nanoinżynierii Shirley Meng, światowej sławy ekspertki w dziedzinie materiałów bateryjnych. Jej kierownictwo umożliwiło mu zdobycie fundamentalnego zrozumienia obecnego stanu technologii bateryjnej i przyszłych potrzeb.

Dostęp do najnowocześniejszego sprzętu i zasobów również był kluczowy. Laboratorium nanofabrykacji Nano3 (nanofabrication cleanroom facility), którego utworzenie w dużej mierze sfinansowała National Science Foundation (NSF), odegrało kluczową rolę we wczesnych etapach zrozumienia technologii bateryjnych. "Nano3 posiada doskonały wybór narzędzi spektroskopowych i metrologicznych, takich jak SEM (skaningowy mikroskop elektronowy), FIB (skupiona wiązka jonów) i E-beam (litografia elektronowiązkowa), które niezwykle pomogły nam zrozumieć fundamentalne interakcje wewnątrz urządzenia bateryjnego," wyjaśnia Rustomji. "UC San Diego po prostu ma świetne narzędzia, które umożliwiają lepsze fundamentalne zrozumienie zaawansowanych materiałów, które rozwijaliśmy. Bez tych możliwości i instrumentów nie bylibyśmy tu, gdzie jesteśmy dzisiaj."

Współpraca nie ograniczała się tylko do UC San Diego. Zespół korzystał również z laboratoriów na pobliskim Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine (UC Irvine) do charakteryzacji za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). Instytut Badań Materiałowych na UC Irvine jest również częściowo wspierany przez NSF, co wskazuje na siłę sieci współpracy w ramach systemu Uniwersytetu Kalifornijskiego.

Liczni profesorowie z kampusu, w tym Ping Liu, Shirley Meng i Zheng Chen (wszyscy z Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering), chętnie udzielali pomocy i współpracowali przy projekcie. Jeśli chodzi o środki finansowe, jeszcze gdy Rustomji był doktorantem, zespół zapewnił sobie finansowanie z ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy). "Departament Energii sfinansował nas niewielkim grantem, co naprawdę pobudziło tę innowację i pozwoliło mi poświęcić się w pełnym wymiarze godzin na kampusie zastosowaniom i technologii," podkreśla Rustomji. Podczas studiów podoktorskich z powodzeniem ubiegał się o granty Small Business Innovation Research od NSF i NASA. Środki te umożliwiły ukończenie pracy podoktorskiej i pełne poświęcenie się firmie.

Zastosowania i przyszłość technologii LiGasⓇ

Zdolność baterii LiGasⓇ do pracy w ekstremalnych mrozach przyciągnęła uwagę armii amerykańskiej, która testuje je do zasilania urządzeń komunikacyjnych w regionach o bardzo niskich temperaturach. Kontrakty z wojskiem potwierdzają solidność i niezawodność technologii w najbardziej wymagających warunkach. Firmy motoryzacyjne również wykazują znaczne zainteresowanie, dostrzegając potencjał tych baterii do ulepszenia rynku pojazdów elektrycznych, szczególnie pod względem zasięgu i wydajności w różnych warunkach klimatycznych oraz bezpieczeństwa.

Firma South 8 Technologies z siedzibą w San Diego w Kalifornii udowadnia, że nawet obszary nieznane z ekstremalnych temperatur mogą być podatnym gruntem do rozwoju rozwiązań przeznaczonych właśnie do takich warunków. Rustomji żartuje, że nie lubi zimna, dlatego chciał znaleźć dla niego rozwiązanie energetyczne. Ale mówiąc poważniej, ekosystem w Południowej Kalifornii, szczególnie w San Diego, okazał się niezwykle korzystny.

"Po pierwsze, jest UC San Diego, które obejmuje również Rady School of Management. W pobliżu znajduje się San Diego State University, który również kształci utalentowanych inżynierów i naukowców. Mieliśmy absolwentów obu uniwersytetów, którzy dołączyli do naszego zespołu," mówi Rustomji. "San Diego oferuje znacznie więcej niż przyjemny klimat."

Dodatkowe wsparcie zapewnia Southern California Energy Innovation Network (SCEIN), sieć łącząca lokalnych przedsiębiorców, umożliwiająca wymianę informacji o możliwościach finansowania ze źródeł federalnych lub stanowych oraz pomagająca w nawiązywaniu kontaktów z inwestorami venture capital. "Ta możliwość networkingu była naprawdę nieoceniona," dodaje Rustomji. "Myślę, że San Diego jest często niedoceniane jako centrum innowacji i przedsiębiorczości. Ale dzieje się tu wiele wspaniałych rzeczy, nie tylko w czystej technologii, ale także w przemyśle sprzętowym i oprogramowania. W San Diego ma miejsce wiele wielkich innowacji."

Przesłania dla przyszłych innowatorów

W przyszłym roku South 8 Technologies będzie obchodzić dziesiątą rocznicę istnienia jako startup. Zapytany, jaką radę ma dla ambitnych inżynierów i przedsiębiorców myślących o założeniu własnych firm, Rustomji odpowiada: "Bądźcie zakochani w tym, co robicie i kochajcie ludzi, z którymi to robicie. To będzie podróż, a nie sprint. I tylko ci, którzy kochają to, co robią i z kim to robią, odniosą sukces na koniec dnia."

A jaka byłaby idealna bateria i czy kiedykolwiek ją stworzymy? "Idealna bateria byłaby z natury bardzo bezpieczna, nigdy by się nie rozładowywała, tylko ładowałaby się i rozładowywała w kółko milionami cykli, ładowałaby się tak szybko, jak chcesz i kosztowałaby prawie nic," mówi Rustomji. "Ale zabawa w byciu naukowcem lub inżynierem polega na tym, że wiesz, że to marzenie. Zabawa polega na tym, że stajesz się coraz lepszy i lepszy, zbliżając się jak najbardziej do tej wymarzonej baterii i dokonując tych ulepszeń. W przeciwnym razie, gdyby idealna bateria istniała, odebrałoby to zabawę z procesu innowacji. I to można zastosować do każdej technologii. Nic nigdy nie jest idealne i myślę, że to właśnie niedoskonałość sprawia, że innowacja jest tak zabawna."

Rozwój technologii takiej jak LiGasⓇ pokazuje, że jesteśmy na dobrej drodze do rozwiązania niektórych z największych wyzwań w magazynowaniu energii, otwierając drzwi do nowych możliwości w licznych branżach i przybliżając nas do przyszłości z bardziej niezawodnymi, bezpieczniejszymi i wszechstronniejszymi rozwiązaniami bateryjnymi.

Źródło: University of California