Tehnologija baterija u čvrstom stanju izgledala je daleko i van domašaja pre samo nekoliko godina.
Međutim, istraživački timovi širom sveta su na tragu novih materijala, u cilju povećanja prodaje električnih automobila, što podrazumeva veću energetsku gustinu i niže troškove, između ostalog.
„Stari dobri“ sumpor je aktuelan, uprkos njegovoj tendenciji da se raspadne tokom ciklusa punjenja. Ipak, ovaj hemijski element ima i nekih prednosti kada je reč o baterijama u čvrstom stanju, a čini se da je njegova „šifra“ konačno razbijena.
Sumpor i baterije budućnosti
Sumpor je predstavljao dugačak, težak zadatak za istraživače u ovoj oblasti. Još 2013. je detektovan istraživački projekat u Nacionalnoj laboratoriji Ouk Ridž, koja je ogranak američkog Ministarstva energetike.
Istraživači u Nacionalnoj laboratoriji Ouk Ridž bili su na tragu litijum-sumporne baterije koja ima četiri puta veću snagu od konvencionalnih litijum-jonskih jedinica. S obzirom na nisku cenu sumpora, ako bi tehnologija mogla da se komercijalizuje, to bi moglo da ima ogroman uticaj na tržište uređaja za skladištenje energije napajanih vetrom, solarnom ili drugim oblicima obnovljive energije. Niska cena litijum-sumporne kombinacije bi takođe bi mogla da otvori tržište električnih vozila.
Zatim, 2015., došlo je do istraživanja na planu baterija u čvrstom stanju sledeće generacije na Univerzitetu Drekel, koje je uključivalo upotrebu visokotehnološkog keramičkog materijala nanorazmera. Naravno, u međuvremenu su se pojavili i brojni izazovi.
Problem je što konvencionalne litijum-sumporne baterije ne traju dugo. Počinju da degradiraju kada se isprazne, tako da njihove performanse opadaju nakon samo nekoliko ciklusa punjenja/pražnjenja. Problem je zapravo bio dvostruke prirode. Sam sumpor nije posebno „vešt“ u sprovođenju elektrona za početak, a njegova tendencija da se prekomerno širi tokom ciklusa punjenja predstavlja još jednu prepreku.
Razbijanje „šifre“ litijum sumporne baterije s čvrstim elektrolitima
Od inicijalnih istraživanja do danas, prošlo je mnogo vremena. Ministarstvo energetike SAD nastavilo je da posvećuje značajnu pažnju novim istraživačkim projektima koji pomeraju okvire tehnologije čvrstih baterija, uključujući formulu litijum-sumpora.
U okviru najnovijeg razvoja uz pomoć Departmana za energetiku, istraživački tim iz Džejkobs tehničke škole Univerziteta San Dijego u Kaliforniji, objavio je studiju o razbijanju litijum-sumpornog koda u časopisu Nature.
Tim je osmislio novi, samoobnovljivi sumporni materijal za katodu u čvrstoj bateriji, s litijum metalom koji služi kao anodni materijal.
Novi materijal se sastoji od sumpora u kristalnoj formi, dopiranog molekulima joda. „Ubacivanjem molekula joda u kristalnu strukturu sumpora, istraživači su drastično povećali električnu provodljivost katodnog materijala za 11 redova veličine, čineći ga 100 milijardi puta provodljivijim od kristala napravljenih isključivo od sumpora“, objašnjava univerzitetski tim.
Nego bi možda pomislio da se radi o štamparskoj grešci, ali nije tako, zaista se radi o 100 milijardi puta provodljivijem materijalu.
Ove baterije se nameću kao superiorna alternativa trenutnim litijum-jonskim baterijama, jer nude povećanu energetsku gustinu i niže troškove. One imaju potencijal da skladište do dvostruko više energije po kilogramu od konvencionalnih litijum-jonskih baterija. Drugim rečima, mogle bi da udvostruče domet električnih vozila, bez povećanja mase baterije.
Pored toga, upotreba materijala kojih ima u izobilju i koji se lako dobijaju, čini ih ekonomski održivim i ekološki prihvatljivijim izborom.
Naredni koraci za samoobnovljivu bateriju budućnosti u čvrstom stanju
Pored poboljšanja provodljivosti svoje sumporne katode, tim je takođe uočio priliku da novi materijal prevaziđe problem prekomerne ekspanzije sumpora.
Ideja je da se katoda ponovo pretopi u željenu formu nakon što se baterija napuni. S nekim materijalima, to bi bilo komplikovano zbog neophodnih visokih temperatura, ali Džejkobsov tim je otkrio da se njegova nova sumporna katoda s jodom topi na nivou temperature vruće šoljice kafe, na samo 65 stepeni Celzijusa.
„To znači da se katoda može lako ponovo rastopiti nakon što se baterija napuni, da bi se popravio tokom ciklusa oštećeni interfejs“, objašnjava Univerzitet San Dijego. „Ovo je važna karakteristika za rešavanje kumulativnog oštećenja, do kojeg dolazi na interfejsu između katode i elektrolita tokom ponovljenog punjenja i pražnjenja.
Naravno, veliki trud će biti potreban da bi se ideje materijalizovale u eventualnu serijsku proizvodnju.
Honda
Univerzitet San Dijego napominje da je Džejkobsova studija, objavljena pod naslovom „Samoobnovljivi i provodljivi sumpor-jodid za čvrste Li-S baterije“, rezultat zajedničkog rada. Pored glavnog istraživačkog tima sa sedištem u Džejkobsu i dve laboratorije Departmana za energetiku, u projekat je uključeno i nekoliko akademskih partnera, a tu je i Hondin istraživački institut u SAD.
Prošlog decembra se pojavio izveštaj koji se odnosi na saradnju Honde, Instituta za materijale i istraživanje proizvodnje Univerziteta u Ohaju i firme Schaeffler Americas. Cilj je da se 2025. godine uspostavi novi centar za istraživanje u oblasti baterija za električne automobile.
U januaru 2023., Univerzitet u Ohaju je takođe najavio saradnju s Hondom i Nacionalnom laboratorijom Argonne Departmana za energetiku, vrednu 3,8 miliona dolara, u cilju razvoja „pristupačnijih i efikasnijih baterija za električna vozila.“
Uprkos fokusu na istraživanje materijala za EV baterije, Honda takođe podseća da nova tehnnologija baterija ne postoji u vakuumu. Japanska kompanija naglašava da su sposobnost masovne proizvodnje i integracija s njenim električnim vozilima takođe suštinski faktori.
„Moguće je razviti malu bateriju dok se fokusirate na performanse materijala, a ne na ograničenja metoda masovne proizvodnje. Međutim, za komercijalizaciju, važno je razvijati baterije istovremeno predviđajući buduće metode masovne proizvodnje“, objašnjava kompanija.
Konkretno, Honda istražuje nove procese za povećanje gustine baterija u čvrstom stanju. Konvencionalni proces štancanja mora biti fino podešen, kako bi se izbeglo oštećivanje materijala, a to bi moglo dovesti do otpada i suvišnih troškova. Kao alternativu, Honda istražuje nešto što se zove „valjkasta presa“.
„Prepoznajući visok potencijal valjkaste prese, koji će dovesti do velike brzine proizvodne linije, Honda je prikupila znanje i iskustvo u tehnikama presovanja na valjcima, s ciljem da uspostavi proizvodnu tehnologiju baterija u čvrstom stanju.“
Nismo bili svedoci toga da je Honda u prošlosti obraćala posebnu pažnju na sumpor, ali njeno interesovanje za istraživanje Džejkobsa ukazuje na to da bi korišćenje valjkaste prese mogao biti jedan od narednih koraka.
