Sastojak mnogih pasta za zube je natrijum fluorid, jedinjenje fluora. Dodaje se za zaštitu zuba od karijesa. Ali jedinjenja koja sadrže fluor imaju i druge praktične upotrebe koje bi vas mogle iznenaditi. Naučnici iz Nacionalne laboratorije Argonne Ministarstva energetike SAD (DOE) otkrili su fluoridni elektrolit koji bi mogao da zaštiti bateriju sledeće generacije od pada performansi.
„Na horizontu je uzbudljiva nova generacija tipova baterija za električna vozila izvan litijum jona“, rekao je Zhengcheng (John) Zhang, vođa grupe u odeljenju za hemijske nauke i inženjerstvo u Argonneu.
Hemijski sastav nelitijum-jonskih baterija nudi dvostruko ili više energije uskladištene u datoj zapremini ili težini u poređenju sa litijum jonskim baterijama. Mogli su pokretati automobile na mnogo veće udaljenosti i čak bi jednog dana mogli pokretati kamione i avione na duge relacije. Očekuje se da će široka upotreba takvih baterija pomoći u rešavanju problema klimatskih promena. Glavni problem je što njihova visoka gustina energije brzo opada sa ponovljenim punjenjem i pražnjenjem.
Jedan od glavnih kandidata ima anodu (negativnu elektrodu) napravljenu od litijum metala umesto grafita koji se inače koristi u litijum-jonskim baterijama. Tako se naziva „litijum metalna“ baterija. Katoda (pozitivna elektroda) je metalni oksid koji sadrži nikl, mangan i kobalt (NMC). Iako može da isporuči više nego duplo veću gustinu energije moguću sa litijum-jonskom baterijom, te izvanredne performanse brzo nestaju za manje od stotinu ciklusa punjenja-pražnjenja.
Rešenje tima uključivalo je promenu elektrolita, tečnosti kroz koju se litijum joni kreću između katode i anode da bi sproveli punjenje i pražnjenje. U litijum metalnim baterijama, elektrolit je tečnost koja se sastoji od soli koja sadrži litijum rastvorenu u rastvaraču. Izvor problema kratkog životnog veka je taj što elektrolit ne formira adekvatan zaštitni sloj na površini anode tokom prvih nekoliko ciklusa. Ovaj sloj, koji se takođe naziva interfaza čvrstog elektrolita (SEI), deluje kao čuvar, omogućavajući litijum jonima da slobodno prolaze kroz anodu i izlaze iz anode kako bi se napunila i ispraznila baterija.
Njihovo istraživanje objavljeno je u časopisu Nature Communications.
Tim je otkrio novi rastvarač fluorida koji održava robustan zaštitni sloj stotinama ciklusa. On spaja fluorisanu komponentu koja je pozitivno naelektrisana (katjon) sa drugom fluorovanom komponentom koja je negativno naelektrisana (anjon). Ovu kombinaciju naučnici zovu jonska tečnost — tečnost koja se sastoji od pozitivnih i negativnih jona.
„Ključna razlika u našem novom elektrolitu je zamena fluora za atome vodonika u prstenastoj strukturi katjonskog dela jonske tečnosti“, rekao je Zhang. „Ovo je napravilo svu razliku u održavanju visokih performansi za stotine ciklusa u testnoj litijum metalnoj ćeliji.“
Da bi bolje razumeo mehanizam koji stoji iza ove razlike na atomskoj skali, tim se oslanjao na računarske resurse visokih performansi Argonne Leadership Computing Faciliti (ALCF), korisničkog objekta DOE Office of Science.
Kao što je Džang objasnio, simulacije na ALCF-ovom Theta superkompjuteru otkrile su da se katjoni fluora drže i akumuliraju na površini anode i katode pre bilo kakvog ciklusa punjenja-pražnjenja. Zatim, tokom ranih faza ciklusa, formira se otporan SEI sloj koji je superiorniji od onoga što je moguće sa prethodnim elektrolitima.
Elektronska mikroskopija visoke rezolucije u Nacionalnoj laboratoriji Argonne i Pacific Northvest otkrila je da je visoko zaštitni SEI sloj na anodi i katodi doveo do stabilnog ciklusa.
Tim je bio u mogućnosti da podesi proporciju fluoridnog rastvarača prema litijumskoj soli kako bi stvorio sloj sa optimalnim svojstvima, uključujući debljinu SEI koja nije previše debela ili tanka. Zbog ovog sloja, litijum joni mogu efikasno da ulaze i izlaze iz elektroda tokom punjenja i pražnjenja stotinama ciklusa.
Novi elektrolit tima nudi i mnoge druge prednosti. Niska je cena jer se može napraviti sa izuzetno visokom čistoćom i prinosom u jednom jednostavnom koraku umesto u više koraka. Ekološki je prihvatljiv jer koristi mnogo manje rastvarača, koji je isparljiv i može da ispusti zagađivače u životnu sredinu. I sigurnije je jer nije zapaljivo.
„Litijumske metalne baterije sa našim elektrolitom sa fluorisanim katjonima mogle bi značajno da podstaknu industriju električnih vozila“, rekao je Zhang. „A korisnost ovog elektrolita se nesumnjivo proteže na druge tipove naprednih baterijskih sistema izvan litijum jona.“
