Στις περισσότερες μπαταρίες ιόντων λιθίου, η κάθοδος περιέχει κοβάλτιο. Αλλά το κοβάλτιο είναι ένα σπάνιο μέταλλο , που βρίσκεται κυρίως σε πολιτικά ασταθείς χώρες, η εξόρυξή του είναι επικίνδυνη για τους ανθρακωρύχους και δημιουργεί τοξικά απόβλητα. Και καθώς η ζήτηση για μπαταρίες παγκοσμίως συνεχίζει να αυξάνεται, το ίδιο θα αυξηθεί και το κόστος του κοβαλτίου. Η Anne Trafton στο MIT περιγράφει την ανάπτυξη μιας εναλλακτικής καθόδου από οργανικά υλικά . Η δομή του είναι παρόμοια με τον γραφίτη . Μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό όπως το κοβάλτιο και οι μπαταρίες που κατασκευάζονται με αυτό έχουν συγκρίσιμη χωρητικότητα αποθήκευσης , μπορούν να φορτιστούν πιο γρήγορα και μπορούν να παραχθούν με το ήμισυ του κόστους των μπαταριών που περιέχουν κοβάλτιο. Επιπλέον, τα πρωτογενή υλικά που χρειάζονται για την κατασκευή των νέων οργανικών καθόδων είναι ήδη εμπορικά διαθέσιμα και παράγονται σε μεγάλες ποσότητες ως χημικά προϊόντα. Οι μπαταρίες χωρίς κοβάλτιο θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν τα αυτοκίνητα του μέλλοντος . Οι χημικοί του MIT ανέπτυξαν μια κάθοδο μπαταρίας βασισμένη σε οργανικά υλικά, τα οποία θα μπορούσαν να μειώσουν την εξάρτηση της βιομηχανίας EV από σπάνια μέταλλα. Από την Anne Trafton, MIT News .

Μια κάθοδος βασισμένη σε οργανικά υλικά

Πολλά ηλεκτρικά οχήματα τροφοδοτούνται από μπαταρίες που περιέχουν κοβάλτιο — ένα μέταλλο που επιφέρει υψηλό οικονομικό, περιβαλλοντικό και κοινωνικό κόστος.

Οι ερευνητές του MIT έχουν τώρα σχεδιάσει ένα υλικό μπαταρίας που θα μπορούσε να προσφέρει έναν πιο βιώσιμο τρόπο τροφοδοσίας ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Η νέα μπαταρία ιόντων λιθίου περιλαμβάνει μια κάθοδο που βασίζεται σε οργανικά υλικά, αντί για κοβάλτιο ή νικέλιο (άλλο μέταλλο που χρησιμοποιείται συχνά σε μπαταρίες ιόντων λιθίου).

Σε μια νέα μελέτη, οι ερευνητές έδειξαν ότι αυτό το υλικό, το οποίο θα μπορούσε να παραχθεί με πολύ χαμηλότερο κόστος από τις μπαταρίες που περιέχουν κοβάλτιο, μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό με παρόμοιους ρυθμούς όπως οι μπαταρίες κοβαλτίου . Η νέα μπαταρία έχει επίσης συγκρίσιμη χωρητικότητα αποθήκευσης και μπορεί να φορτιστεί πιο γρήγορα από τις μπαταρίες κοβαλτίου , αναφέρουν οι ερευνητές.

«Πιστεύω ότι αυτό το υλικό θα μπορούσε να έχει μεγάλο αντίκτυπο επειδή λειτουργεί πολύ καλά», λέει ο Mircea Dincă, καθηγητής Ενέργειας WM Keck στο MIT. «Είναι ήδη ανταγωνιστική με τις υπάρχουσες τεχνολογίες και μπορεί να εξοικονομήσει πολύ από το κόστος και τον πόνο και τα περιβαλλοντικά ζητήματα που σχετίζονται με την εξόρυξη μετάλλων που επί του παρόντος μπαίνουν σε μπαταρίες ».

Ο Dincă είναι ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύεται στο περιοδικό ACS Central Science . Ο Tianyang Chen PhD '23 και ο Harish Banda, πρώην μεταδιδάκτορας του MIT, είναι οι κύριοι συγγραφείς της εργασίας. Άλλοι συγγραφείς περιλαμβάνουν τον Jiande Wang, μεταδιδάκτορα του MIT. Julius Oppenheim, μεταπτυχιακός φοιτητής του MIT. και Alessandro Franceschi, ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Μπολόνια.

Τα πολλαπλά μειονεκτήματα του κοβαλτίου

Τα περισσότερα ηλεκτρικά αυτοκίνητα τροφοδοτούνται από μπαταρίες ιόντων λιθίου, έναν τύπο μπαταρίας που επαναφορτίζεται όταν ιόντα λιθίου ρέουν από ένα θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται κάθοδος, σε ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο, που ονομάζεται άνοδος. Στις περισσότερες μπαταρίες ιόντων λιθίου, η κάθοδος περιέχει κοβάλτιο, ένα μέταλλο που προσφέρει υψηλή σταθερότητα και πυκνότητα ενέργειας .

Ωστόσο, το κοβάλτιο έχει σημαντικά μειονεκτήματα. Ένα σπάνιο μέταλλο, η τιμή του μπορεί να παρουσιάζει δραματικές διακυμάνσεις και πολλά από τα κοιτάσματα κοβαλτίου στον κόσμο βρίσκονται σε πολιτικά ασταθείς χώρες . Η εξόρυξη κοβαλτίου δημιουργεί επικίνδυνες συνθήκες εργασίας και δημιουργεί τοξικά απόβλητα που μολύνουν τη γη, τον αέρα και το νερό που περιβάλλουν τα ορυχεία.

«Οι μπαταρίες κοβαλτίου μπορούν να αποθηκεύσουν πολλή ενέργεια και έχουν όλα τα χαρακτηριστικά που ενδιαφέρονται για τους ανθρώπους όσον αφορά την απόδοση, αλλά έχουν το πρόβλημα να μην είναι ευρέως διαθέσιμα και το κόστος κυμαίνεται ευρέως ανάλογα με τις τιμές των εμπορευμάτων. Και, καθώς μεταβαίνετε σε πολύ υψηλότερο ποσοστό ηλεκτροκίνητων οχημάτων στην καταναλωτική αγορά, σίγουρα θα γίνει πιο ακριβό », λέει ο Dincă.

Εναλλακτικές λύσεις για το κοβάλτιο

Λόγω των πολλών μειονεκτημάτων του κοβαλτίου, έχει γίνει μεγάλη έρευνα στην προσπάθεια ανάπτυξης εναλλακτικών υλικών μπαταριών. Ένα τέτοιο υλικό είναι το λίθιο-σίδηρο-φωσφορικό (LFP) , το οποίο ορισμένοι κατασκευαστές αυτοκινήτων αρχίζουν να χρησιμοποιούν σε ηλεκτρικά οχήματα. Αν και εξακολουθεί να είναι πρακτικά χρήσιμο, το LFP έχει μόνο περίπου τη μισή ενεργειακή πυκνότητα από τις μπαταρίες κοβαλτίου και νικελίου .

Μια άλλη ελκυστική επιλογή είναι τα οργανικά υλικά, αλλά μέχρι στιγμής τα περισσότερα από αυτά τα υλικά δεν ήταν σε θέση να ταιριάξουν με την αγωγιμότητα, την ικανότητα αποθήκευσης και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών που περιέχουν κοβάλτιο . Λόγω της χαμηλής αγωγιμότητάς τους, τέτοια υλικά πρέπει συνήθως να αναμιγνύονται με συνδετικά όπως πολυμερή, τα οποία τα βοηθούν να διατηρήσουν ένα αγώγιμο δίκτυο. Αυτά τα συνδετικά, τα οποία αποτελούν τουλάχιστον το 50 τοις εκατό του συνολικού υλικού, μειώνουν την ικανότητα αποθήκευσης της μπαταρίας.

Ένα νέο υλικό μπαταρίας του MIT θα μπορούσε να προσφέρει έναν πιο βιώσιμο τρόπο τροφοδοσίας ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Αντί για κοβάλτιο ή νικέλιο, η νέα μπαταρία ιόντων λιθίου περιλαμβάνει μια κάθοδο βασισμένη σε οργανικά υλικά. Σε αυτή την εικόνα, τα μόρια λιθίου φαίνονται με λαμπερό ροζ. / ΕΙΚΟΝΑ: Ευγενική προσφορά των ερευνητών. Επιμέλεια MIT News.

Ένας οργανικός αγωγός

Πριν από περίπου έξι χρόνια, το εργαστήριο του Dincă άρχισε να εργάζεται σε ένα έργο, χρηματοδοτούμενο από τη Lamborghini , για την ανάπτυξη μιας οργανικής μπαταρίας που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Ενώ εργάζονταν σε πορώδη υλικά που ήταν εν μέρει οργανικά και εν μέρει ανόργανα, ο Ντίνκα και οι μαθητές του συνειδητοποίησαν ότι ένα πλήρως οργανικό υλικό που είχαν φτιάξει φαινόταν να δείχνει ότι μπορεί να είναι ισχυρός αγωγός.

Αυτό το υλικό αποτελείται από πολλά στρώματα TAQ (δις-τετρααμινοβενζοκινόνη), ένα οργανικό μικρό μόριο που περιέχει τρεις συντηγμένους εξαγωνικούς δακτυλίους . Αυτά τα στρώματα μπορούν να επεκταθούν προς τα έξω προς κάθε κατεύθυνση, σχηματίζοντας μια δομή παρόμοια με τον γραφίτη . Μέσα στα μόρια υπάρχουν χημικές ομάδες που ονομάζονται κινόνες, οι οποίες είναι οι δεξαμενές ηλεκτρονίων, και αμίνες, οι οποίες βοηθούν το υλικό να σχηματίσει ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου.

Αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου καθιστούν το υλικό εξαιρετικά σταθερό και επίσης πολύ αδιάλυτο. Αυτή η αδιαλυτότητα είναι σημαντική επειδή εμποδίζει το υλικό να διαλυθεί στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας, όπως κάνουν ορισμένα οργανικά υλικά μπαταρίας, παρατείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του.

«Μία από τις κύριες μεθόδους αποικοδόμησης των οργανικών υλικών είναι ότι απλώς διαλύονται στον ηλεκτρολύτη της μπαταρίας και περνούν στην άλλη πλευρά της μπαταρίας, δημιουργώντας ουσιαστικά βραχυκύκλωμα. Εάν κάνετε το υλικό εντελώς αδιάλυτο, αυτή η διαδικασία δεν συμβαίνει, οπότε μπορούμε να πάμε σε πάνω από 2.000 κύκλους φόρτισης με ελάχιστη υποβάθμιση », λέει ο Dincă.

Δυνατή απόδοση

Οι δοκιμές αυτού του υλικού έδειξαν ότι η αγωγιμότητα και η ικανότητα αποθήκευσης του ήταν συγκρίσιμες με αυτές των παραδοσιακών μπαταριών που περιέχουν κοβάλτιο . Επίσης, οι μπαταρίες με κάθοδο TAQ μπορούν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν πιο γρήγορα από τις υπάρχουσες μπαταρίες , γεγονός που θα μπορούσε να επιταχύνει τον ρυθμό φόρτισης για ηλεκτρικά οχήματα .

Για να σταθεροποιήσουν το οργανικό υλικό και να αυξήσουν την ικανότητά του να προσκολλάται στον συλλέκτη ρεύματος της μπαταρίας, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από χαλκό ή αλουμίνιο, οι ερευνητές πρόσθεσαν υλικά πλήρωσης όπως κυτταρίνη και καουτσούκ. Αυτά τα πληρωτικά αποτελούν λιγότερο από το ένα δέκατο του συνολικού σύνθετου υλικού καθόδου, επομένως δεν μειώνουν σημαντικά τη χωρητικότητα αποθήκευσης της μπαταρίας.

Αυτά τα πληρωτικά επεκτείνουν επίσης τη διάρκεια ζωής της καθόδου της μπαταρίας αποτρέποντας τη ρωγμή της όταν τα ιόντα λιθίου ρέουν στην κάθοδο καθώς η μπαταρία φορτίζεται.

Το μισό κόστος των μπαταριών κοβαλτίου

Τα πρωτογενή υλικά που χρειάζονται για την κατασκευή αυτού του τύπου καθόδου είναι ένας πρόδρομος της κινόνης και ένας πρόδρομος αμίνης, τα οποία είναι ήδη διαθέσιμα στο εμπόριο και παράγονται σε μεγάλες ποσότητες ως χημικά προϊόντα . Οι ερευνητές εκτιμούν ότι το κόστος υλικού για τη συναρμολόγηση αυτών των οργανικών μπαταριών θα μπορούσε να είναι περίπου το ένα τρίτο έως το μισό του κόστους των μπαταριών κοβαλτίου .

Η Lamborghini έχει αδειοδοτήσει το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για την τεχνολογία. Το εργαστήριο του Dincă σχεδιάζει να συνεχίσει να αναπτύσσει εναλλακτικά υλικά μπαταριών και διερευνά την πιθανή αντικατάσταση του λιθίου με νάτριο ή μαγνήσιο, τα οποία είναι φθηνότερα και πιο άφθονα από το λίθιο .

***

Η Anne Trafton είναι ανώτερη συγγραφέας στο MIT News

Ανατύπωση με άδεια του MIT News