Otkriće koje bi moglo dovesti do dugotrajnijih baterija

Poznato nam je svima da sve baterije s vremenom gube kapacitet, zbog čega se primjerice naši stariji mobiteli sve brže troše kako prolazi vrijeme, no zanimljivo je da ovaj uobičajeni fenomen do sada nije bio u potpunosti shvaćen.  

Sada je međunarodni tim istraživača, predvođen inženjerima sa Sveučilišta Colorado u Boulderu, otkrio temeljni mehanizam iza takve degradacije baterija. Njihovo otkriće moglo bi pomoći znanstvenicima da razviju bolje baterije, koje bi električnim vozilima omogućile veći domet i dulji vijek trajanja, dok bi također unaprijedile tehnologije skladištenja energije koje bi ubrzale prijelaz na čistu energiju.

"Pomažemo unapređivanju litij-ionskih baterija otkrivajući procese na molekularnoj razini koji su uključeni u njihovu degradaciju", rekao je Michael Toney, suautor rada i profesor na Odsjeku za kemijsko i biološko inženjerstvo. "Imati bolju bateriju vrlo je važno za preusmjeravanje naše energetske infrastrukture s fosilnih goriva na više obnovljivih izvora energije." 

Inženjeri već godinama rade na dizajniranju litij-ionskih baterija, najčešćeg tipa punjivih baterija, bez kobalta. Kobalt je skup i rijedak mineral, a proces njegovog iskopavanja povezan je s ozbiljnom zabrinutošću za okoliš i ljudska prava. U Demokratskoj Republici Kongo, koja opskrbljuje više od polovice svjetskog kobalta, mnogi rudari su djeca.  

Do sada su znanstvenici pokušavali koristiti druge elemente poput nikla i magnezija kako bi zamijenili kobalt u litij-ionskim baterijama. Ali te baterije imaju još veću stopu samopražnjenja, jer kemijske reakcije baterije smanjuju pohranjenu energiju i degradiraju njezin kapacitet tijekom vremena. Zbog samopražnjenja, većina EV baterija ima životni vijek od 7 do 10 godina prije nego što ih je potrebno zamijeniti.  

Toney, koji je također suradnik Instituta za obnovljivu energiju i njegov tim, krenuli su u istraživanje uzroka samopražnjenja. U tipičnoj litij-ionskoj bateriji, litijevi ioni, koji nose naboje, kreću se s jedne strane baterije, koja se naziva anoda, na drugu stranu, koja se naziva katoda, kroz medij koji se naziva elektrolit. Tijekom tog procesa protok ovih nabijenih iona stvara električnu struju koja pokreće elektroničke uređaje. Punjenje baterije preokreće tok nabijenih iona i vraća ih na anodu.  

Ranije su znanstvenici mislili da se baterije samoprazne jer se ne vraćaju svi litijevi ioni na anodu tijekom punjenja, smanjujući broj nabijenih iona dostupnih za stvaranje struje i napajanje.  

Koristeći moćni rendgenski uređaj Advanced Photon Source u Nacionalnom laboratoriju Argonne Ministarstva energetike SAD-a u Illinoisu, istraživački tim otkrio je da bi se molekule vodika iz elektrolita baterije pomaknule na katodu i zauzele mjesta koja inače vežu litijevi ioni. Kao rezultat toga, litijevi ioni imaju manje mjesta za vezanje na katodi, slabeći električnu struju i smanjujući kapacitet baterije.

"Otkrili smo da što više litija izvučete iz katode tijekom punjenja, to se više atoma vodika nakuplja na površini", rekao je Gang Wan, prvi autor studije na Sveučilištu Stanford. "Ovaj proces izaziva samopražnjenje i uzrokuje mehanički stres koji može uzrokovati pukotine na katodi i ubrzati degradaciju."

Promet je najveći pojedinačni izvor stakleničkih plinova koji se stvaraju u SAD-u, na koji otpada 28% emisija u zemlji 2021. U nastojanju da smanje emisije, mnogi su se proizvođači automobila obvezali na odustajanje od razvoja benzinskih automobila kako bi umjesto toga proizvodili više električnih vozila. Ali proizvođači električnih vozila suočavaju se s nizom izazova, uključujući ograničeni domet vožnje, veće troškove proizvodnje i kraći životni vijek baterije od konvencionalnih vozila. Na tržištu SAD-a, tipični potpuno električni automobil može prijeći oko 250 milja (oko 400 km) s jednim punjenjem, što je oko 60% u odnosu na benzinski automobil s tipičnim tankom. Nova studija ima potencijal za rješavanje svih ovih problema, rekao je Toney.  

"Svi potrošači žele automobile s velikim dometom vožnje. Neke od ovih baterija s niskim sadržajem kobalta potencijalno mogu pružiti veći domet vožnje, ali također se moramo pobrinuti da se ne raspadnu u kratkom vremenskom razdoblju", rekao je, napominjući da smanjenje kobalta također može smanjiti troškove i riješiti pitanja ljudskih prava i energetske pravde.  

Uz bolje razumijevanje mehanizma samopražnjenja, inženjeri mogu istražiti nekoliko načina za sprječavanje procesa, kao što je oblaganje katode posebnim materijalom za blokiranje molekula vodika ili korištenje drugog elektrolita.  

"Sada kada razumijemo što uzrokuje degradaciju baterija, možemo informirati zajednicu kemijskih baterija o tome što treba poboljšati pri projektiranju", rekao je Toney.

Istraživanje objavljeno u časopisu Science možete pronaći na ovoj poveznici.