Na Tehnološkom institutu Massachusetts (MIT), kemičari su razvili revolucionarnu katodu baterije koja se temelji na organskim materijalima. Ovaj razvoj bi mogao znatno smanjiti ovisnost industrije električnih vozila o rijetkim metalima. Veliki broj današnjih električnih vozila koristi baterije koje u svom sastavu sadrže kobalt – metal poznat po visokim financijskim, ekološkim i socijalnim troškovima.
Istraživači s MIT-a kreirali su inovativni materijal za baterije koji predstavlja održiviju alternativu za napajanje električnih automobila. Ovaj novi litij-ionski akumulator sadrži katodu napravljenu od organskih materijala, umjesto uobičajenog kobalta ili nikla, koji su česti sastojci u litij-ionskim baterijama. U svojoj nedavnoj studiji, tim istraživača demonstrirao je kako ovaj novorazvijeni materijal, koji bi se mogao proizvoditi po znatno nižim troškovima u usporedbi s baterijama koje sadrže kobalt, omogućava provodljivost električne energije na razini sličnoj kobaltnim baterijama. Također, nova baterija posjeduje kapacitet pohrane usporediv s kobaltnim baterijama te se može brže napuniti, kako ističu istraživači.
“Ovaj materijal bi mogao imati značajan utjecaj jer izuzetno efikasno funkcionira”, ističe Mircea Dincă, profesor energetike W.M. Keck na MIT-u. “On je već konkurentan sadašnjim tehnologijama i može značajno smanjiti troškove te probleme i ekološke izazove povezane s rudarenjem metala koji se trenutno koriste u proizvodnji baterija.”
Dincă je vodeći autor studije objavljene u časopisu ACS Central Science. Glavni autori rada su i Tianyang Chen, doktorand na MIT-u iz 2023. godine, i Harish Banda, bivši postdoktorski suradnik na MIT-u. Među ostalim autorima su Jiande Wang, postdoktorski suradnik na MIT-u; Julius Oppenheim, diplomirani student na MIT-u; i Alessandro Franceschi, istraživački suradnik na Sveučilištu u Bologni.
Litij-ionske baterije
Većina električnih automobila danas koristi litij-ionske baterije, tip baterije koji se puni kretanjem litijevih iona s pozitivno nabijene elektrode, katode, na negativno nabijenu elektrodu, anodu. U većini ovih baterija, katoda uključuje kobalt, metal koji pruža visoku stabilnost i gustoću energije. Ipak, kobalt ima brojne nedostatke. Kao rijedak metal, njegova cijena podložna je dramatičnim fluktuacijama, a veći dio svjetskih zaliha kobalta nalazi se u politički nestabilnim zemljama. Njegovo vađenje uzrokuje opasne radne uvjete i proizvodi toksični otpad koji zagađuje zemlju, zrak i vodu u okolini rudnika.
“Baterije koje sadrže kobalt mogu pohraniti velike količine energije i posjeduju sve performanse koje su važne korisnicima, ali su suočene s problemom ograničene dostupnosti i širokih fluktuacija cijena koje ovise o tržištu roba. Kako se tržište električnih vozila širi, očekuje se da će njihova cijena rasti”, objašnjava Dincă.
Zbog mnogobrojnih nedostataka kobalta, intenzivno se istražuju alternativni materijali za baterije. Jedan od takvih materijala je litij-željezo-fosfat (LFP), koji neki proizvođači automobila već počinju koristiti u svojim električnim vozilima. Iako je LFP praktično rješenje, njegova energetska gustoća je samo oko polovice one baterija s kobaltom i niklom.
Druga obećavajuća opcija su organski materijali, no do sada većina njih nije uspjela postići razinu provodljivosti, kapaciteta pohrane i vijeka trajanja baterija koje sadrže kobalt. Zbog niske provodljivosti, takvi materijali obično se moraju kombinirati s vezivima poput polimera, koji omogućuju održavanje provodne mreže. Ova veziva, koja čine značajan dio ukupnog materijala, smanjuju kapacitet pohrane baterije.
Laboratorij Mircee Dincă-e na MIT-u započeo je prije oko šest godina rad na projektu financiranom od strane Lamborghinija, s ciljem razvoja organske baterije za električne automobile. Istražujući porozne materijale koji su kombinacija organskih i neorganskih sastojaka, tim je otkrio da bi potpuno organski materijal koji su razvili mogao biti vrlo učinkovit vodič.
Struktura nalik grafitu
Ovaj materijal se sastoji od brojnih slojeva TAQ-a (bis-tetraaminobenzoquinone), male organske molekule koja uključuje tri spojena heksagonalna prstena. Slojevi se šire u svim smjerovima, formirajući strukturu nalik grafitu. Unutar molekula nalaze se kemijske skupine poznate kao kinoni, koji djeluju kao spremnici elektrona, i amini, koji potiču formiranje jakih vodikovih veza. Te vodikove veze daju materijalu izuzetnu stabilnost i netopljivost. Ta netopljivost je ključna jer sprječava otapanje materijala u elektrolitu baterije, što je čest problem kod nekih organskih materijala, čime se produžava vijek trajanja baterije.
“Jedan od glavnih uzroka propadanja organskih materijala je njihovo otapanje u elektrolitu baterije što može rezultirati kratkim spojem. Ako učinimo materijal potpuno netopljivim, taj problem se ne pojavljuje, što omogućava više od 2.000 ciklusa punjenja s minimalnom degradacijom”, ističe Dincă.
Testiranja su pokazala da su provodljivost i kapacitet pohrane ovog materijala usporedivi s tradicionalnim baterijama koje sadrže kobalt. Osim toga, baterije s TAQ katodom mogu se brže puniti i prazniti od postojećih baterija, što bi moglo ubrzati proces punjenja električnih vozila. Za stabilizaciju organskog materijala i poboljšanje njegovog prijanjanja na strujni kolektor baterije, izrađenog od bakra ili aluminija, istraživači su dodali punila poput celuloze i gume. Ova punila čine manji dio ukupnog sastava katode, stoga ne umanjuju značajno kapacitet pohrane baterije.
Osim toga, ova punila povećavaju trajnost katode baterije tako što sprječavaju njeno pucanje prilikom protoka litijevih iona u katodu tijekom punjenja baterije.
Za proizvodnju ove vrste katode primarno su potrebni prekursori kinona i amina, koji su već dostupni na tržištu i proizvode se u velikim količinama kao standardni kemijski proizvodi. Istraživači procjenjuju da bi troškovi materijala za sastavljanje ovih organskih baterija mogli iznositi otprilike jednu trećinu do polovice troškova baterija koje sadrže kobalt.
Tvrtka Lamborghini licencirala je patent za ovu tehnologiju. Laboratorij pod vodstvom Dincă-e planira nastaviti razvoj alternativnih materijala za baterije te istražuje mogućnost zamjene litija s natrijem ili magnezijem, koji su cjenovno povoljniji i dostupniji od litija.
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
