Šta ako je uobičajeni element, a ne oskudni skupi, ključna komponenta u baterijama električnih automobila? Saradnja koju vodi istraživač hemije sa Državnog univerziteta Oregon nada se da će izazvati revoluciju zelenih baterija pokazujući da se gvožđe umesto kobalta i nikla može koristiti kao katodni materijal u litijum-jonskim baterijama.
Nalazi, objavljeni u časopisu Naučni napredak, važni su iz više razloga, napominje Ksiulei „David“ Ji iz države Oregon.
„Transformisali smo reaktivnost metala gvožđa, najjeftinije metalne robe“, rekao je on. „Naša elektroda može da ponudi veću gustinu energije od najsavremenijih katodnih materijala u električnim vozilima. A pošto koristimo gvožđe, čija cena može biti manja od jednog dolara po kilogramu – mali deo nikla i kobalta, koji su neophodne u trenutnim visokoenergetskim litijum-jonskim baterijama — cena naših baterija je potencijalno mnogo niža.“
Trenutno, katoda predstavlja 50% troškova u pravljenju litijum-jonske baterije, rekao je Ji. Osim ekonomije, katode na bazi gvožđa bi omogućile veću sigurnost i održivost, dodao je on.
Kako se sve više i više litijum-jonskih baterija proizvodi za elektrifikaciju transportnog sektora, globalna potražnja za niklom i kobaltom je porasla. Ji ističe da će za nekoliko decenija predviđena nestašica nikla i kobalta zaustaviti proizvodnju baterija kao što se trenutno radi.
Pored toga, gustina energije ovih elemenata se već proširuje do nivoa plafona – ako se dalje gura, kiseonik koji se oslobađa tokom punjenja može da izazove zapaljenje baterija – plus kobalt je toksičan, što znači da može da kontaminira ekosisteme i izvore vode ako iscuri. deponija.
Stavite sve zajedno, rekao je Ji, i lako je razumeti globalnu potragu za novim, održivijim hemijama baterija.
Baterija skladišti energiju u obliku hemijske energije i kroz reakcije je pretvara u električnu energiju potrebnu za pogon vozila, kao i mobilnih telefona, laptopa i mnogih drugih uređaja i mašina. Postoji više tipova baterija, ali većina njih radi na isti osnovni način i sadrži iste osnovne komponente.
Baterija se sastoji od dve elektrode — anode i katode, obično napravljene od različitih materijala — kao i separatora i elektrolita, hemijskog medijuma koji omogućava protok električnog naboja. Tokom pražnjenja baterije, elektroni teku sa anode u spoljašnje kolo, a zatim se skupljaju na katodi.
U litijum-jonskoj bateriji, kao što njeno ime kaže, punjenje se prenosi preko litijum jona dok se kreću kroz elektrolit od anode do katode tokom pražnjenja i nazad tokom ponovnog punjenja.
„Naša katoda na bazi gvožđa neće biti ograničena nedostatkom resursa“, rekao je Ji, objašnjavajući da je gvožđe, pored toga što je najčešći element na Zemlji mereno masom, četvrti element po zastupljenosti u Zemljinoj kori. . „Nećemo ostati bez gvožđa dok se sunce ne pretvori u crvenog džina.“
Ji i saradnici sa više univerziteta i nacionalnih laboratorija povećali su reaktivnost gvožđa u svojoj katodi tako što su dizajnirali hemijsko okruženje zasnovano na mešavini anjona fluora i fosfata – jona koji su negativno naelektrisani.
Mešavina, temeljno izmešana kao čvrsti rastvor, omogućava reverzibilnu konverziju – što znači da se baterija može ponovo napuniti – fine mešavine gvožđa u prahu, litijum fluorida i litijum fosfata u soli gvožđa.
„Pokazali smo da dizajn materijala sa anjonima može probiti plafon gustine energije za baterije koje su održivije i koštaju manje“, rekao je Ji.
„Ne koristimo skuplju so u kombinaciji sa gvožđem — samo one koje je koristila industrija baterija, a zatim gvožđe u prahu. Da bi se ova nova katoda stavila u primenu, ne treba ništa drugo da menja — nema novih anoda, nema nove proizvodnje linije, nema novog dizajna baterije. Mi samo menjamo jednu stvar, katodu.
Efikasnost skladištenja još treba poboljšati, rekao je Ji. Trenutno, nije sva električna energija ubačena u bateriju tokom punjenja dostupna za upotrebu nakon pražnjenja. Kada se ta poboljšanja naprave, a Dži očekuje da će biti, rezultat će biti baterija koja će raditi mnogo bolje od onih koje se trenutno koriste, a koštaće manje i biti zelenija.
„Ako postoji investicija u ovu tehnologiju, ne bi trebalo dugo da bude komercijalno dostupna“, rekao je Ji. „Potrebni su nam vizionari industrije da dodele resurse ovoj oblasti u nastajanju. Svet može da ima katodnu industriju zasnovanu na metalu koji je skoro besplatan u poređenju sa kobaltom i niklom. I dok morate zaista naporno da radite da biste reciklirali kobalt i nikl, ne morate čak ni da reciklirate gvožđe — samo se pretvara u rđu ako ga pustite.“
