Novi materijal Ruđerovaca za litij ionske baterije

Istraživački tim predvođen istraživačima s Instituta Ruđer Bošković (IRB) razvio je novi materijal poboljšanih svojstava za primjenu u litij-ionskim baterijama. Novi materijal razvijen je na bazi silicija, a karakterizira ga porozna struktura koja mu omogućava bolju izmjenu naboja, a unaprijeđena je i vodljivost materijala te kapacitet. Rezultati istraživanja važni su u daljnjem razvoju anodnih materijala za litij-ionske baterije, a objavljeni su u časopisu 'Journal of Electroanalytical Chemistry'.

Novi anodni materijal razvila je doktorandica Matea Raić u Laboratoriju za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala IRB-a pod mentorstvom dr. sc. Mile Ivande, te uz pomoć dr. sc. Lare Mikac pri sintezi. Ispitan je u elektrokemijskoj ćeliji za testiranje galvanskih članaka koja je dizajnirana i napravljena upravo u ovom laboratoriju, koji je dio Centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS). Istraživanju su još doprinijeli znanstvenici iz CEMS-a, dr.sc. Marijan Gotić, dr.sc. Nikola Baran i dr.sc. Marko Škrabić.

'Povećali smo vodljivost materijala'

S obzirom na sve veću integraciju obnovljivih izvora, povećavaju se potrebe za pohranom energije u elektroenergetskom sustavu. Tehnološki napredak i pad cijena baterija, prije svega zbog velikog zamaha električnih vozila, čine baterijske spremnike sve prihvatljivijem rješenjem za pružanje usluge regulacije elektroenergetskog sustava. Konkretno, od 2012. godine cijena Li-ionskih baterija pala je više od 75 posto.

Stručnjaci procjenjuju da će tržište baterija do 2028. godine biti vrijedno preko 30 milijardi eura, od kojih će i dalje najveći udio na tržištu imati litij-ionske baterije s rastom od 8,5 do 9,4 posto tijekom predviđenog razdoblja.

Naime, konvencionalne baterije koje koriste grafitne anode imaju brojne nedostatke, od malih kapaciteta, skladištenja i visoke cijene. Korištenjem silicija smanjuje se trošak po kilovat satu, osim toga velika prednost silicija je i njegova prirodna rasprostranjenost. Silicijske anode mogu se pripremiti u različitim formama s ciljem smanjenja težine baterijskih spremnika. Povrh toga, sa sigurnosnog aspekta silicijske anode su primjenjivije jer je radni potencijal elektrode pozitivniji od grafitne elektrode te je manja vjerojatnost od pojave kratkog spoja. Iz toga razloga, u posljednjih nekoliko godina u svijetu je izgrađeno je nekoliko tvornica koje proizvode Li-ionske baterije s anodom na bazi silicija.

''Silicij se pokazao kao anodni materijal nove generacije jer postiže specifične kapacitete deset puta veće od konvencionalne grafitne anode. Naime, specifični kapacitet određenog materijala označava ukupnu količinu naboja koju neki materijal može primiti po masi aktivnog materijala i izračunava se teorijskim modelom. Za silicij taj teorijski model predviđa energetski kapacitet od 4200 miliamper-sati po gramu,'' objašnjava doktorandica Matea Raić, prva autorica na radu.

Novi anodni materijal koji je razvijen u Laboratoriju za molekulsku fiziku i sinteze novih materijala na IRB-u postigao je kapacitet vrlo blizu ovom teorijskom kapacitetu.

''Naš tim je uspio eksperimentalno postići kapacitet od 3333 miliamper-sati po gramu, što znači da se postignut rezultat približio teorijskoj vrijednosti i to za silicij koji je zapravo jedini materijal koji može dati najveći kapacitet litij-ionskim baterijama,'' navodi dr. sc. Mile Ivanda, voditelj laboratorija.

''Pripravljeni materijal ima poroznu strukturu, što omogućuje bolju izmjenu naboja, a dodatno je unaprijeđen depozicijom nanočestica srebra kojima smo povećali vodljivost samog materijala u svrhu postizanja većeg kapaciteta. U našim daljnjim istraživanjima pokušat ćemo dodatno optimizirati elektrodu i postići veći broj ciklusa punjenja i pražnjenja,'' zaključuje doktorandica Matea Raić.

Znanstveni rad objavljen o časopisu ScienceDirect možete pronaći na ovoj poveznici.