Mnoga električna vozila se napajaju baterijama koje sadrže kobalt — metal koji nosi visoke finansijske, ekološke i društvene troškove.
Istraživači sa MIT-a su sada dizajnirali materijal za baterije koji bi mogao ponuditi održiviji način za napajanje električnih automobila. Nova litijum-jonska baterija uključuje katodu zasnovanu na organskim materijalima, umesto kobalta ili nikla (drugi metal koji se često koristi u litijum-jonskim baterijama).
U novoj studiji, istraživači su pokazali da ovaj materijal, koji bi mogao da se proizvodi po mnogo nižoj ceni od baterija koje sadrže kobalt, može da sprovodi električnu energiju sličnim stopama kao i kobaltne baterije. Nova baterija takođe ima uporediv kapacitet za skladištenje i može se puniti brže od kobaltnih baterija, izvještavaju istraživači.
„Mislim da bi ovaj materijal mogao imati veliki uticaj jer zaista dobro funkcioniše“, kaže Mircea Dinca, V.M. Keck, profesor energetike na MIT-u. „Ona je već konkurentna postojećim tehnologijama, i može uštedeti mnogo troškova i bola i ekoloških problema vezanih za rudarenje metala koji trenutno idu u baterije.
Dinca je stariji autor studije, koja je objavljena danas (18. januara) u časopisu ACS Central Science. Tianiang Chen Ph.D. ’23 i Harish Banda, bivši postdoc MIT, su vodeći autori rada. Drugi autori su Jiande Vang, postdoc MIT; Julius Openheim, diplomirani student MIT-a; i Alesandro Frančeski, naučni saradnik na Univerzitetu u Bolonji.
Većina električnih automobila se napaja litijum-jonskim baterijama, tipom baterije koja se puni kada litijum joni teku sa pozitivno naelektrisane elektrode, koja se zove katoda, do negativne elektrode, koja se zove anoda. U većini litijum-jonskih baterija, katoda sadrži kobalt, metal koji nudi visoku stabilnost i gustinu energije.
Međutim, kobalt ima značajne nedostatke. Oskudan metal, njegova cena može dramatično da varira, a veliki deo svetskih nalazišta kobalta nalazi se u politički nestabilnim zemljama. Ekstrakcija kobalta stvara opasne radne uslove i stvara toksični otpad koji kontaminira zemljište, vazduh i vodu oko rudnika.
„Kobaltne baterije mogu da skladište mnogo energije i imaju sve karakteristike do kojih je ljudima stalo u smislu performansi, ali imaju problem da nisu široko dostupne, a cena varira u velikoj meri sa cenama robe. I, kako prelazite na mnogo veći udeo elektrificiranih vozila na potrošačkom tržištu, to će sigurno postati skuplje“, kaže Dinca.
Zbog mnogih nedostataka kobalta, mnogo istraživanja je uloženo u pokušaje da se razviju alternativni materijali za baterije. Jedan takav materijal je litijum-gvožđe-fosfat (LFP), koji neki proizvođači automobila počinju da koriste u električnim vozilima. Iako je i dalje praktično koristan, LFP ima samo oko polovinu gustine energije od kobaltnih i nikl baterija.
Još jedna privlačna opcija su organski materijali, ali do sada većina ovih materijala nije bila u stanju da odgovara provodljivosti, kapacitetu skladištenja i životnom veku baterija koje sadrže kobalt. Zbog njihove niske provodljivosti, takvi materijali se obično moraju mešati sa vezivnim sredstvima kao što su polimeri, koji im pomažu da održe provodnu mrežu. Ova veziva, koja čine najmanje 50 procenata ukupnog materijala, smanjuju kapacitet baterije.
Pre otprilike šest godina, Dincova laboratorija je počela da radi na projektu, koji je finansirao Lamborghini, za razvoj organske baterije koja bi se mogla koristiti za napajanje električnih automobila. Dok su radili na poroznim materijalima koji su delom bili organski, a delom neorganski, Dinca i njegovi učenici su shvatili da je potpuno organski materijal koji su napravili izgleda da bi mogao biti jak provodnik.
Ovaj materijal se sastoji od mnogo slojeva TAK (bis-tetraaminobenzohinon), organskog malog molekula koji sadrži tri spojena heksagonalna prstena. Ovi slojevi se mogu širiti prema spolja u svakom pravcu, formirajući strukturu sličnu grafitu. Unutar molekula nalaze se hemijske grupe zvane kinoni, koji su rezervoari elektrona, i amini, koji pomažu materijalu da formira jake vodonične veze.
Te vodonične veze čine materijal veoma stabilnim i takođe veoma nerastvorljivim. Ta nerastvorljivost je važna jer sprečava rastvaranje materijala u elektrolitu baterije, kao što to rade neki organski materijali baterije, čime se produžava njen životni vek.
„Jedan od glavnih metoda degradacije organskih materijala je da se oni jednostavno rastvaraju u elektrolitu baterije i prelaze na drugu stranu baterije, stvarajući u suštini kratak spoj. Ako materijal učinite potpuno nerastvorljivim, taj proces neće biti desiti, tako da možemo preći na preko 2.000 ciklusa punjenja sa minimalnom degradacijom“, kaže Dinca.
Testovi ovog materijala su pokazali da su njegova provodljivost i kapacitet skladištenja uporedivi sa onima kod tradicionalnih baterija koje sadrže kobalt. Takođe, baterije sa TAK katodom mogu se puniti i prazniti brže od postojećih baterija, što bi moglo ubrzati brzinu punjenja električnih vozila.
Da bi stabilizovali organski materijal i povećali njegovu sposobnost da prianja na kolektor struje baterije, koji je napravljen od bakra ili aluminijuma, istraživači su dodali materijale za punjenje kao što su celuloza i guma. Ova punila čine manje od jedne desetine ukupnog katodnog kompozita, tako da ne smanjuju značajno kapacitet baterije.
Ova punila takođe produžavaju životni vek katode baterije sprečavajući njeno pucanje kada litijum joni ulaze u katodu dok se baterija puni.
Primarni materijali potrebni za proizvodnju ove vrste katode su prekursor kinona i prekursor amina, koji su već komercijalno dostupni i proizvode se u velikim količinama kao robne hemikalije. Istraživači procenjuju da bi materijalni troškovi sklapanja ovih organskih baterija mogli biti oko jedne trećine do jedne polovine cene kobaltnih baterija.
Lamborghini je licencirao patent na tehnologiju. Dincova laboratorija planira da nastavi sa razvojem alternativnih materijala za baterije i istražuje moguću zamenu litijuma natrijumom ili magnezijumom, koji su jeftiniji i bogatiji od litijuma.
