Un colectiv de chimiști de la MIT, conduși de Profesorul Mircea Dincă au dezvoltat un catod de baterie bazat pe materiale organice, care ar putea reduce dependența industriei vehiculelor electrice de metale rare. În loc de cobalt sau nichel, noua baterie litiu-ion include un catod bazat pe materiale organice.
Multe vehicule electrice sunt alimentate de baterii care conțin cobalt – un metal care are costuri financiare, de mediu și sociale ridicate.
Cercetătorii de la MIT au conceput acum un material pentru baterii care ar putea oferi o modalitate mai durabilă de a alimenta mașinile electrice. Noua baterie litiu-ion include un catod pe bază de materiale organice, în loc de cobalt sau nichel (un alt metal utilizat adesea în bateriile litiu-ion).
Într-un nou studiu, cercetătorii au arătat că acest material, care ar putea fi produs la un cost mult mai mic decât bateriile care conțin cobalt, poate conduce electricitatea la rate similare cu cele ale bateriilor cu cobalt. De asemenea, noua baterie are o capacitate de stocare comparabilă și poate fi încărcată mai repede decât bateriile cu cobalt, au raportat cercetătorii.
“Cred că acest material ar putea avea un mare impact, deoarece funcționează foarte bine”, spune Mircea Dincă, profesor W.M. Keck de energie la MIT. “Este deja competitiv față de tehnologiile existente și poate economisi o mare parte din costurile, durerile și problemele de mediu legate de extragerea metalelor care intră în prezent în baterii.”
Dincă este autorul principal al studiului, care a apărut în revista ACS Central Science. Tianyang Chen PhD ’23 și Harish Banda, un fost postdoctorand MIT, sunt autorii principali ai lucrării. Printre ceilalți autori se numără Jiande Wang, un postdoctorand MIT; Julius Oppenheim, un student absolvent MIT; și Alessandro Franceschi, cercetător la Universitatea din Bologna.
Alternative la cobalt
Majoritatea mașinilor electrice sunt alimentate de baterii litiu-ion, un tip de baterie care se reîncarcă atunci când ionii de litiu trec de la un electrod încărcat pozitiv, numit catod, la un electrod încărcat negativ, numit anod. În majoritatea bateriilor litiu-ion, catodul conține cobalt, un metal care oferă o stabilitate și o densitate energetică ridicată.
Cu toate acestea, cobaltul are dezavantaje semnificative. Fiind un metal rar, prețul său poate fluctua dramatic, iar o mare parte din depozitele de cobalt din lume sunt situate în țări instabile din punct de vedere politic. Extracția cobaltului creează condiții de muncă periculoase și generează deșeuri toxice care contaminează pământul, aerul și apa din jurul minelor.
“Bateriile cu cobalt pot stoca o cantitate mare de energie și au toate caracteristicile care îi interesează pe oameni în ceea ce privește performanța, dar se confruntă cu problema că nu sunt disponibile pe scară largă, iar costul fluctuează în mare măsură în funcție de prețul materiilor prime. Și, pe măsură ce se trece la o proporție mult mai mare de vehicule electrificate pe piața de consum, cu siguranță se va scumpi”, spune Profesorul Dincă.
Din cauza numeroaselor dezavantaje ale cobaltului, s-au făcut numeroase cercetări pentru a încerca să se dezvolte materiale alternative pentru baterii. Un astfel de material este litiu-fier-fosfat (LFP), pe care unii producători de automobile încep să îl folosească la vehiculele electrice. Deși este încă util din punct de vedere practic, LFP are doar jumătate din densitatea energetică a bateriilor cu cobalt și nichel.
O altă opțiune atrăgătoare sunt materialele organice, dar până în prezent majoritatea acestor materiale nu au reușit să egaleze conductivitatea, capacitatea de stocare și durata de viață a bateriilor care conțin cobalt. Din cauza conductivității lor scăzute, astfel de materiale trebuie de obicei să fie amestecate cu lianți, cum ar fi polimerii, care le ajută să mențină o rețea conductivă. Acești lianți, care reprezintă cel puțin 50 % din totalul materialului, reduc capacitatea de stocare a bateriei.
În urmă cu aproximativ șase ani, laboratorul lui Dincă a început să lucreze la un proiect, finanțat de Lamborghini, pentru a dezvolta o baterie organică care ar putea fi folosită pentru a alimenta mașinile electrice. În timp ce lucrau la materiale poroase care erau parțial organice și parțial anorganice, Dincă și studenții săi și-au dat seama că un material complet organic pe care îl făcuseră părea că ar putea fi un conductor puternic.
Acest material este format din mai multe straturi de TAQ (bis-tetraaminobenzochinonă), o mică moleculă organică ce conține trei inele hexagonale fuzionate. Aceste straturi se pot extinde spre exterior în toate direcțiile, formând o structură asemănătoare grafitului. În interiorul moleculelor se află grupuri chimice numite chinone, care sunt rezervoarele de electroni, și amine, care ajută materialul să formeze legături puternice de hidrogen.
Aceste legături de hidrogen fac ca materialul să fie foarte stabil și, de asemenea, foarte insolubil. Această insolubilitate este importantă deoarece împiedică materialul să se dizolve în electrolitul bateriei, așa cum se întâmplă cu unele materiale organice pentru baterii, prelungindu-i astfel durata de viață.
“Una dintre principalele metode de degradare a materialelor organice este că acestea se dizolvă pur și simplu în electrolitul bateriei și trec în cealaltă parte a bateriei, creând practic un scurtcircuit. Dacă faci materialul complet insolubil, acest proces nu se întâmplă, astfel încât putem ajunge la peste 2.000 de cicluri de încărcare cu o degradare minimă”, spune Profesorul Dincă.
Performanță ridicată
Testele efectuate asupra acestui material au arătat că conductivitatea și capacitatea de stocare a acestuia sunt comparabile cu cele ale bateriilor tradiționale care conțin cobalt. De asemenea, bateriile cu catod TAQ pot fi încărcate și descărcate mai rapid decât bateriile existente, ceea ce ar putea accelera rata de încărcare a vehiculelor electrice.
Pentru a stabiliza materialul organic și pentru a-i crește capacitatea de a adera la colectorul de curent al bateriei, care este realizat din cupru sau aluminiu, cercetătorii au adăugat materiale de umplutură, cum ar fi celuloza și cauciucul. Aceste materiale de umplutură reprezintă mai puțin de o zecime din totalul compusului catodic, astfel încât nu reduc semnificativ capacitatea de stocare a bateriei.
Aceste materiale de umplutură prelungesc, de asemenea, durata de viață a catodului bateriei, împiedicând crăparea acestuia atunci când ionii de litiu intră în catod pe măsură ce bateria se încarcă.
Materialele principale necesare pentru fabricarea acestui tip de catod sunt un precursor de chinonă și un precursor de amină, care sunt deja disponibile în comerț și produse în cantități mari ca produse chimice de bază. Cercetătorii estimează că costul materialelor pentru asamblarea acestor baterii organice ar putea fi de aproximativ o treime sau jumătate din costul bateriilor cu cobalt.
Lamborghini a obținut licența pentru brevetul acestei tehnologii. Laboratorul lui Dincă intenționează să continue să dezvolte materiale alternative pentru baterii și explorează posibila înlocuire a litiului cu sodiu sau magneziu, care sunt mai ieftine și mai abundente decât litiul.
Sursa: M.I.T
