NAUČNICI MOŽDA IMAJU OBJAŠNJENJE ZAŠTO NEKE BATERIJE NE TRAJU
Hidrogen protoni, a ne litijum joni, mogli bi objasniti samopražnjenje i degradaciju baterija
„Rechargable“ litijum-jonske baterije ne traju vječno. Vremenom, one zadržavaju sve manje naelektrisanja, na kraju se pretvarajući iz izvora energije u “cigle”. Jedan od razloga: skriveni, cureći hidrogen, kako otkriva novo istraživanje.
Neželjeni hidrogen protoni ispunjavaju molekularne prostore na pozitivnom kraju baterije, ostavljajući manje prostora za naelektrisane litijum atome ili jone, koji održavaju reaktivnost i pomažu u vođenju naelektrisanja, objavili su naučnici 12. septembra u časopisu Science.
Nova istraživanja identifikovala su skup neželjenih hemijskih reakcija koje se javljaju kada elektrolit baterije, koji bi trebalo da transportuje litijum jone, nenamjerno oslobađa hidrogen u pozitivni kraj, odnosno katodu. Ovo „pokreće sve vrste problema“ i smanjuje kapacitet i ali i vijek trajanja baterije, kaže Gang Wan, fizičar i hemijski naučnik sa Stanford-a. „Čak i kada ne koristite bateriju, ona gubi energiju.“
Anatomija litijum-jonske baterije
U litijum-jonskoj bateriji, dvije elektrode suprotnih naelektrisanja, anoda i katoda, skladište litijum jone. Joni se kreću od anode do katode kroz elektrolit, što stvara hemijske reakcije koje oslobađaju elektrone i grade naelektrisanje. Elektrolit bi trebalo da pomjera samo litijum jone, ali hidrogen protoni i elektroni se otkidaju od molekula u elektrolitu i cure u spoljne slojeve katode, pokrećući kaskadu neželjenih reakcija koje smanjuju vijek trajanja baterije.
Prethodna objašnjenja gubitka energije u baterijama fokusirala su se na kretanje litijum jona. Neki istraživači su pretpostavili da bi hidrogen atomi mogli takođe igrati ulogu, ali je teško posmatrati jer je hidrogen vrlo mali i svuda prisutan. Tako su Wan i njegovi saradnici zamijenili hidrogen u elektrolitu baterija veličine ćelije, za deuterijum, težu varijantu hidrogena. Istraživači su zatim pratili kretanje deuterijuma pomoću veoma moćnog X-zračenja i masene spektrometrije. Koristeći rezultate i teoretske proračune, tim je pokazao da je hidrogen „dominantni“ faktor u gubitku naelektrisanja katode.
Bart Bartlett, hemijski naučnik na Univerzitetu u Mičigenu kazao je: „Ovo istraživanje povećava naše razumijevanje neprozirne hemije koja se odvija unutar baterija, što ga čini zaista značajnim“. Ukazalo je na moguće načine za poboljšanje vijeka trajanja baterija, poput prilagođavanja hemije baterija, kako bi se izbjegle hidrogenske reakcije. „Međutim“, dodaje, „naučnici su procijenili samo jedan tip baterije i jedan scenario. Potrebna su dodatna istraživanja da bi se razumjele šire primjene ovih nalaza.“
„Ako se zapažanja tima pokažu kao reproduktivna, odnosno, ponovljiva, najvjerovatnije će dovesti do boljih, dugotrajnijih baterija koje ubrzavaju inovacije kao što su električna vozila sa većim dometom“ kaže Džeklin Edž, istraživač baterija i inženjer na Imperial College London. Istovremeno, napredak u vijeku trajanja baterija smanjio bi našu potrebu za vađenjem minerala koji ulaze u baterijske ćelije, poput kobalta i, naravno, litijuma, što nosi negativne ekološke i društvene posledice. To bi mogla biti dvostruka pobjeda za održivost.
Priredila: Kristina Đenđinović
Izvori:
G. Wan et al. Solvent-mediated oxide hydrogenation in layered cathodes. Science. Vol. 385, September 13, 2024, p. 1230. doi: 10.1126/science.adg4687.
- Benedek, M.M. Thackeray and A. van de Walle.Free energy for protonation reaction in lithium-ion battery cathode materials.Chemistry of Materials. Vol. 20, September 9, 2008, p. 5485. doi: 10.1021/cm703042r.
