Multiinstitucionalni istraživački tim na čelu sa Hailong Chenom iz Georgia Tech-a razvio je novu, jeftinu katodu koja bi mogla radikalno da poboljša litijum-jonske baterije (LIB) – potencijalno transformišući tržište električnih vozila (EV) i sisteme za skladištenje energije velikih razmera.
„Ljudi su dugo vremena tražili jeftiniju, održiviju alternativu postojećim katodnim materijalima. Mislim da je imamo“, rekao je Čen, vanredni profesor sa postavljenjima u Školi za mašinstvo Džordža V. Vudrafa. inženjerstva i Fakulteta za materijalne nauke i inženjerstvo.
Revolucionarni materijal, gvožđe hlorid (FeCl 3 ), košta samo 1%-2% tipičnih katodnih materijala i može da skladišti istu količinu električne energije. Katodni materijali utiču na kapacitet, energiju i efikasnost, igrajući glavnu ulogu u performansama baterije, životnom veku i pristupačnosti.
„Naša katoda može da promeni igru“, rekao je Čen, čiji tim opisuje svoj rad u Nature Sustainabiliti. „To bi u velikoj meri poboljšalo tržište električnih vozila—i celo tržište litijum-jonskih baterija.“
Prvi komercijalizovani od strane kompanije Soni ranih 1990-ih, LIB-ovi su izazvali eksploziju u ličnoj elektronici, kao što su pametni telefoni i tableti. Tehnologija je na kraju napredovala u pogonu električnih vozila, pružajući pouzdan, punjivi izvor energije visoke gustine. Ali za razliku od lične elektronike, veliki korisnici energije poput električnih vozila posebno su osetljivi na cenu LIB-a.
Baterije su trenutno odgovorne za oko 50% ukupne cene EV-a, što ove automobile sa čistom energijom čini skupljima od njihovih rođaka sa unutrašnjim sagorevanjem, koji izbacuju gasove staklene bašte. Izum Chen tima bi to mogao da promeni.
U poređenju sa staromodnim alkalnim i olovno-kiselinskim baterijama, LIB skladište više energije u manjem pakovanju i napajaju uređaj duže između punjenja. Ali LIB sadrže skupe metale, uključujući poludrage elemente kao što su kobalt i nikl, i imaju visoku cenu proizvodnje.
Do sada su samo četiri tipa katoda uspešno komercijalizovane za LIB. Chen’s bi bio peti i predstavljao bi veliki korak napred u tehnologiji baterija: razvoj potpunog LIB-a.
Konvencionalni LIB koriste tečne elektrolite za transport litijum jona za skladištenje i oslobađanje energije. Imaju čvrsta ograničenja koliko energije može da se uskladišti, a mogu da iscure i da se zapale. Ali potpuno čvrsti LIB-ovi koriste čvrste elektrolite, dramatično povećavajući efikasnost i pouzdanost baterije i čineći je sigurnijom i sposobnom da zadrži više energije. Ove baterije, koje su još u fazi razvoja i testiranja, bile bi značajno poboljšanje.
Dok se istraživači i proizvođači širom planete utrkuju da učine potpuno praktičnu tehnologiju, Čen i njegovi saradnici razvili su pristupačno i održivo rešenje. Sa FeCl 3 katodom, čvrstim elektrolitom i litijum metalnom anodom, cena njihovog celog sistema baterija je 30%–40% trenutnih LIB-ova.
„Ovo ne samo da bi EV-ove moglo učiniti mnogo jeftinijim od automobila sa unutrašnjim sagorevanjem, već pruža novi i obećavajući oblik skladištenja energije velikih razmera, povećavajući otpornost električne mreže“, rekao je Čen. „Pored toga, naša katoda bi u velikoj meri poboljšala održivost i stabilnost lanca snabdevanja tržišta električnih vozila.
Čenovo interesovanje za FeCl 3 kao katodni materijal nastalo je istraživanjem u njegovoj laboratoriji čvrstih elektrolitnih materijala. Počevši od 2019. godine, njegova laboratorija je pokušala da napravi čvrste baterije koristeći čvrste elektrolite na bazi hlorida sa tradicionalnim komercijalnim katodama na bazi oksida. Nije dobro prošlo — materijali katode i elektrolita se nisu slagali.
Istraživači su mislili da katoda na bazi hlorida može da obezbedi bolje uparivanje sa hloridnim elektrolitom kako bi ponudila bolje performanse baterije.
„Pronašli smo kandidata (FeCl 3 ) vrednog pokušaja, jer je njegova kristalna struktura potencijalno pogodna za skladištenje i transport Li jona, i na sreću, funkcionisao je kako smo očekivali“, rekao je Čen.
Trenutno, najpopularnije korišćene katode u električnim vozilima su oksidi i zahtevaju ogromnu količinu skupog nikla i kobalta, teških elemenata koji mogu biti toksični i predstavljati izazov za životnu sredinu. Nasuprot tome, katoda Chen tima sadrži samo gvožđe (Fe) i hlor (Cl) – obilje, pristupačne, široko korišćene elemente koji se nalaze u čeliku i kuhinjskoj soli.
U njihovim početnim testovima, otkriveno je da FeCl 3 radi jednako ili bolje od ostalih, mnogo skupljih katoda. Na primer, ima veći radni napon od popularno korišćene katode LiFePO 4 (litijum gvožđe fosfat ili LFP), što je električna sila koju baterija obezbeđuje kada je povezana sa uređajem, slično pritisku vode iz baštenskog creva.
Ova tehnologija može biti manje od pet godina od komercijalne održivosti električnih vozila. Za sada, tim će nastaviti da istražuje FeCl 3 i srodne materijale, kaže Čen. Rad su vodili Chen i postdoc Zhantao Liu (glavni autor studije).
Saradnici su uključivali istraživače iz škole Voodruff iz Georgia Tech-a (Ting Zhu) i Škole za nauku o Zemlji i atmosferi (Iuanzhi Tang), kao i iz Nacionalne laboratorije Oak Ridge (Jue Liu) i Univerziteta u Hjustonu (Shuo Chen).
„Želimo da materijale učinimo što savršenijim u laboratoriji i razumemo osnovne mehanizme funkcionisanja“, rekao je Čen. „Ali otvoreni smo za mogućnosti da proširimo tehnologiju i gurnemo je ka komercijalnim primenama.
