Często pomijanym elementem historii rozwoju transportu drogowego jest to, że na początku XX wieku liczba samochodów elektrycznych przewyższała ich benzynowe odpowiedniki w USA, które w tamtym czasie były liderem produkcji samobieżnych pojazdów osobowych. 

Stosowany wówczas akumulator kwasowo-ołowiowy był drogi i zapewniał zasięg zaledwie ok. 50 kilometrów, dlatego Thomas Edison podjął próby ulepszenia technologii akumulatorów z pomocą kombinacji niklu i żelaza. Postęp silników spalinowych pogrążył tę technologię, dziś jednak wraca ona jako perspektywiczna alternatywa do rozwoju magazynowania energii na farmach słonecznych. 

Technologia niklowo-żelazowa

Rozwijana początkowo przez Edisona technologia magazynowania energii w ogniwach niklowo-żelazowych została podjęta przez międzynarodową kooperatywę badawczą, której przewodniczy Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles (UCLA). Opracowany prototyp dysponuje unikalną właściwością, która odróżnia go od innych technologii magazynowania – był w stanie naładować się w ciągu zaledwie kilku sekund, a nie godzin. Dodatkowo udało mu się osiągnąć granicę ponad 12 tysięcy cykli ponownego ładowania i rozładowywania, co mogłoby oznaczać żywotność na poziomie 30 lat przy zastosowaniu tempa dobowego dla cyklu. 

Badanie „Protein-Templated Fe and Ni Subnanoclusters for Advanced Energy Storage and Electrocatalysis” zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym Small w grudniu 2025 roku jako jeden z głównych artykułów. Opisywana technologia opiera się na maleńkich skupiskach metalu, których ułożenie wzorowane jest na obserwowalnym w naturze procesie budowania szkieletów z białek. Łączenia zapewnia tlenek grafenu, czyli unikalnie smukły (o grubości zaledwie jednego atomu), dwuwymiarowy materiał. Mimo wykorzystania innowacyjnych składników, naukowcy deklarują, że ich metody są stosunkowo proste i niedrogie.  

Ludzie często postrzegają nowoczesne narzędzia nanotechnologiczne jako skomplikowane i zaawansowane technologicznie, ale nasze podejście jest zaskakująco proste i bezpośrednie. Po prostu mieszamy popularne składniki, stosujemy delikatne ogrzewanie i wykorzystujemy powszechnie dostępne surowce – powiedział współautor badania, Maher El-Kady, adiunkt w Katedrze Chemii i Biochemii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles. 

Znamy stan polskiej energetyki. Konieczne 66 mld złotych na rozwój sieci elektroenergetycznej

Baterie wspomagane przez biologię

Jako inspirację do stworzenia struktury opracowanego ogniwa posłużyły obserwowalne w przyrodzie procesy – tworzenie tkanki kostnej u zwierząt lub twardych powłok u skorupiaków. Zbudowane są one z białek, które działają jak rusztowania do gromadzenia związków wapnia. Autorzy pracy starali się odtworzyć ten mechanizm, tak aby wytworzyć maleńkie skupiska niklu lub żelaza w ogniwie. Strukturę, która zapewnia unikalny kompromis między twardością i elastycznością. By osiągnąć taki efekt niemal tak samo ważne, jak użyte materiały, jest sposób, w jaki będą rozmieszczone cząsteczki w ogniwie.  

Zastosowane w prototypie białka będące produktami ubocznymi produkcji wołowiny posłużyły jako matryce do hodowli skupisk niklu na elektrody dodatnie oraz żelaza na elektrody ujemne. Pofałdowana struktura białek ograniczyła rozmiar skupisk metalu do mniej niż pięciu nanometrów – ok. 10 tys. razy mniej niż szerokość bardzo cienkiego ludzkiego włosa. Struktury zbudowane na białkach zostały zespolone z pomocą tlenku grafenu w spójną strukturę przewodzącą, a następnie poddane obróbce termicznej – początkowo podgrzane w wodzie, następnie wypalone w wysokiej temperaturze. Celem tego procesu było zwęglenie białek na węgiel i wytrącenie tlenu z grafenu, po to by na jego miejsce osadziły się skupiska metalu kierowane przez białka. W ten sposób otrzymano aerożel, składający się w prawie 99% z powietrza. To rozwiązanie pozwala na wykorzystanie nadmiarowej pustej powierzchni ogniwa do przeprowadzania reakcji chemicznej w bateriach w sposób znacznie bardziej wydajny.

To ogromna zaleta dla baterii. Gdy cząsteczki są tak małe, prawie każdy atom może uczestniczyć w reakcji. Dzięki temu ładowanie i rozładowywanie przebiegają znacznie szybciej, można magazynować więcej ładunku, a cała bateria po prostu działa wydajniej – powiedział El-Kady.

Przyszłość technologii

Choć niewątpliwa zaletą rozwijanej technologii jest szybkości ładowania i żywotność, to obecnie możliwości realnego magazynowania mocy są jeszcze niewspółmierne do dzisiejszych akumulatorów litowo-jonowych. Oznacza to, że technologia niklowo-żelazowa, która oferuje szybkość cykli zamiast dużej mocy, nie znajdzie na razie zastosowania w elektromobilności jak chciał tego Thomas Edison. 

Zamiast tego eksperci sugerują możliwość zastosowania jej w innych obszarach – np. w farmach słonecznych lub jako zasilanie awaryjne centrów danych, gdzie szybkość, wysoka moc wyjściowa i solidna wytrzymałość mogłyby odpowiadać na potrzeby tych sektorów. Naukowcy badają również możliwość wykorzystania opracowanej techniki osadzania cząsteczek na strukturach białkowych z innymi metalami oraz poszukują materiałów mogących zastąpić białka wołowe, które są bardziej powszechne. Pozwoliłoby to na tańsze i łatwiejsze do skalowania w przyszłej produkcji.

Zobacz też: Polski projekt o bateriach zwyciężył w konkursie naukowym. Czy magnez zastąpi lit w akumulatorach przyszłości?

Źródła: TechXplore, UCLA, Small, Protein-Templated Fe and Ni Subnanoclusters for Advanced Energy Storage and Electrocatalysis

Fot. Canva (Rick_Jo, The Everett Collection, sanches812) 

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.