Avioane cu propulsie electrică, posibile cu o nouă generație de acumulatori

Autor: Aurelian Mihai 20.08.2020
Avioane cu propulsie electrică, posibile cu o nouă generație de acumulatori

Deși nepoluante, avioane cu propulsie electrică nu au reușit până acum să le înlocuiască pe cele convenționale, sistemul cu acumulatori pe bază de litiu adăugând prea multă greutate, raportat la energia livrată.

În cazul mașinilor electrice, faptul că o compactă de oraș poate ajunge la greutatea unei limuzine după adăugarea de acumulatori Li-ion nu este neapărat o problemă, motoarele electrice cu eficiență net superioară celor cu ardere internă compensând pentru greutatea suplimentară. Însă aceeași strategie nu poate funcționa și în cazul avioanelor, care pur și simplu nu ar putea decola cu un exces prea mare de greutate.

Pentru ca un avion de pasageri să poată decola, transporta în mod economic un număr mare de călători și ateriza la sute de kilometri distanță, kerosenul este deocamdată combustibilul ideal, mai costisitor, dar cu un raport imbatabil între densitatea energetică și greutatea adăugată la bord. Dacă în schimb, avioanele de linie ar folosi bancuri de acumulatori care cântăresc mii de kilograme, capacitatea rămasă pentru transportul de pasageri ar scădea la un nivel neeconomic. Dacă mai punem la socoteală și costul acumulatorilor, investiția este din start una păguboasă pentru orice linie aeriană.

Chiar și pentru aeronave relativ mici, cum ar avioanele de antrenament prevăzute cu două scaune, greutatea totală a bateriilor limitează sarcina utilă a avionului, raza de acțiune și, posibil, manevrabilitatea. Astfel, avioanele electrice sunt limitate deocamdată la zboruri pe distanțe scurte, făcute pe rute predictibile care nu necesită un plan de zbor atent calculat.

Reducerea greutății bateriei ar fi un avantaj nu numai pentru aviație, ci și pentru alte vehicule electrice, cum ar fi mașinile, camioanele, autobuzele și bărcile, a căror performanță este direct legată de raportul dintre energia și greutatea acumulatorilor folosiți.

Dezvoltat începând cu anul 2004 de compania britanică Oxis Energy, un nou tip de cumulator cu tehnologie litiu-sulf ar putea rezolva problema greutății, mai mult decât dublând densitatea energetică a acumulatorilor Li-ion.

Luate separat, sulful și litiul sunt elemente extrem de reactive, chiar explozive, care nu pot exista în natură decât asociate cu alte substanțe. Însă tocmai reactivitatea celor două substanțe este ceea ce caută experții în tehnologia acumulatorilor. Provocarea este să obții acumulatori care să livreze nivelul de performanță dorit în condiții de siguranță și fără o degradare rapidă, în urma ciclurilor repetate de încărcare/descărcare.

Ce conțin noii acumulatori Li-Sulf:

  • Electrodul pozitiv, cunoscut sub numele de catod, absoarbe electroni în timpul descărcării. Este conectat la un colector de curent din aluminiu acoperit cu un amestec de carbon și sulf. Sulful este materialul activ care ia parte la reacțiile electrochimice. Dar este și un izolator electric, deci carbonul, un conductor, livrează electroni acolo unde sunt necesari. Există, de asemenea, o cantitate mică de liant pentru a asigura că sulful și carbonul rămân împreună în catod.
  • Electrodul negativ, sau anodul, eliberează electroni în timpul descărcării. Este conectat la o folie pură de litiu. De asemenea, litiul acționează ca un colector de curent, dar este și un material activ, care participă la reacția electrochimică.
  • Un separator poros împiedică atingerea celor doi electrozi, fapt ce ar provoca un scurtcircuit și distrugerea acumulatorului. Separatorul este scăldat într-un electrolit care conține săruri de litiu.
  • Un electrolit facilitează reacția electrochimică permițând mișcarea ionilor între cei doi electrozi.
  • Componentele sunt ambalate într-un pachet foarte compact, protejat la exterior cu o folie din plastic. Celulele pot fi conectate la rândul lor – atât în ​​serie, cât și în paralel – și sunt ambalate într-un pachet de baterii de 20 Ah și 2,15 volți. Pentru un vehicul mare, cum ar fi un avion, astfel de pachete sunt folosite împreună pentru a obține tensiuni de câteva sute de volți, respectiv puteri de zeci sau sute de amperi.

Comparat tehnologiei Li-ion, bateriile cu sulf sunt neobișnuite, deoarece trec prin mai multe etape pe măsură ce se descarcă, formând diferiți compuși moleculari de litiu și sulf. Când o celulă se descarcă, ionii de litiu din electrolit migrează spre catod, unde se combină cu sulf și electroni pentru a forma o polisulfură, Li2S8. Între timp, anodul, moleculele de litiu renunță la electroni pentru a forma ioni de litiu încărcați pozitiv; acești electroni eliberați se deplasează apoi prin circuitul extern – sarcina – care îi duce înapoi la catod. În electrolit, Li2S8 reacționează imediat cu ioni de litiu și electroni pentru a forma un nou polisulfid, Li2S6. Procesul continuă, trecând prin alte polisulfide, Li2S4 și Li2S2, pentru a deveni în cele din urmă Li2S. La fiecare etapă se eliberează energie utilă, până când celula este complet descărcată.

Reîncărcarea reprezintă inversul secvenței descrise mai sus, rezultatul fiind producerea ionilor de litiu care difuzează prin electrolit, formând în cele din urmă litiu metalic.

Această descriere este simplificată. În realitate, reacțiile sunt mai complexe și numeroase, având loc și în electrolit și în anod. De fapt, peste multe cicluri de încărcare și descărcare, acestea sunt reacțiile secundare care provoacă degradarea într-o celulă cu sulf de litiu.

Trei factori vor determina dacă bateriile cu sulf de litiu reușesc sau nu. În primul rând este integrarea cu succes a bateriilor în mai multe tipuri de aeronave, pentru a demonstra principiul. Al doilea este rafinarea continuă a chimiei celulare. În al treilea rând, este reducerea continuă a costurilor. Un mare plus la acest capitol este faptul că sulful este un material foarte ieftin și ușor de procurat. Dezvoltatorii acestei tehnologii speră că, în timp, costul folosirii de acumulatori Li-Sulf va scădea sub cel al soluțiilor Li-Ion folosite în prezent.