Sukces naukowców z MIT - nowa katoda akumulatorowa?
https://news.mit.edu/2024/cobalt-free-batteries-could-power-future-cars-0118
https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acscentsci.3c01478
Zaprezentowano prototyp akumulatora, tańszy, szybko ładujący,
Chemicy z MIT opracowali katodę akumulatorową opartą na materiałach organicznych, która może zmniejszyć zależność branży pojazdów elektrycznych od rzadkich metali.
Naukowcy z MIT zaprojektowali materiał akumulatorowy, który może zaoferować bardziej zrównoważony sposób zasilania samochodów elektrycznych. Nowy akumulator litowo-jonowy zawiera katodę opartą na materiałach organicznych, zamiast kobaltu lub niklu (innego metalu często stosowanego w akumulatorach litowo-jonowych).
W nowym badaniu naukowcy wykazali, że ten materiał, który może być wytwarzany po znacznie niższych kosztach niż baterie zawierające kobalt, może przewodzić prąd elektryczny z podobną szybkością jak akumulatory kobaltowe. Nowa bateria ma również porównywalną pojemność i może być ładowana szybciej niż baterie kobaltowe, donoszą naukowcy.
"Myślę, że ten materiał może mieć duży wpływ, ponieważ działa naprawdę dobrze" - mówi Mircea Dincă, profesor energii W.M. Keck w MIT. "Już teraz jest konkurencyjny w stosunku do istniejących technologii i może zaoszczędzić wiele kosztów, bólu i problemów środowiskowych związanych z wydobyciem metali, które obecnie są wykorzystywane w akumulatorach".
Jednak kobalt ma istotne wady. Jest to metal deficytowy, którego cena może ulegać drastycznym wahaniom, a większość światowych złóż kobaltu znajduje się w krajach niestabilnych politycznie. Wydobycie kobaltu stwarza niebezpieczne warunki pracy i generuje toksyczne odpady, które zanieczyszczają ziemię, powietrze i wodę otaczające kopalnie.
"Akumulatory kobaltowe mogą przechowywać dużo energii i mają wszystkie funkcje, na których zależy ludziom pod względem wydajności, ale mają problem z tym, że nie są powszechnie dostępne, a koszt waha się znacznie w zależności od cen towarów. A wraz z przejściem na znacznie większy udział pojazdów zelektryfikowanych na rynku konsumenckim, z pewnością będzie to droższe" – mówi Dincă.
Około sześć lat temu laboratorium Dinki rozpoczęło pracę nad projektem, finansowanym przez Lamborghini, mającym na celu opracowanie organicznego akumulatora, który mógłby być używany do zasilania samochodów elektrycznych. Podczas pracy nad porowatymi materiałami, które były częściowo organiczne, a częściowo nieorganiczne, Dincă i jego uczniowie zdali sobie sprawę, że w pełni organiczny materiał, który stworzyli, wydaje się być silnym przewodnikiem.
Materiał ten składa się z wielu warstw TAQ (bis-tetraaminobenzochinonu), organicznej małej cząsteczki, która zawiera trzy stopione sześciokątne pierścienie. Warstwy te mogą rozciągać się na zewnątrz we wszystkich kierunkach, tworząc strukturę podobną do grafitu. W cząsteczkach znajdują się grupy chemiczne zwane chinonami, które są rezerwuarami elektronów, oraz aminy, które pomagają materiałowi tworzyć silne wiązania wodorowe.
Te wiązania wodorowe sprawiają, że materiał jest bardzo stabilny, a także bardzo nierozpuszczalny. Ta nierozpuszczalność jest ważna, ponieważ zapobiega rozpuszczaniu się materiału w elektrolicie akumulatora, jak to ma miejsce w przypadku niektórych materiałów organicznych do akumulatorów, wydłużając w ten sposób jego żywotność.
"Jedną z głównych metod degradacji materiałów organicznych jest to, że po prostu rozpuszczają się one w elektrolicie akumulatora i przechodzą na drugą stronę akumulatora, zasadniczo powodując zwarcie. Jeśli sprawimy, że materiał stanie się całkowicie nierozpuszczalny, proces ten nie zachodzi, więc możemy przejść do ponad 2000 cykli ładowania przy minimalnej degradacji", mówi Dincă.
Lamborghini udzieliło licencji na patent na tę technologię. Laboratorium Dinczy planuje kontynuować rozwój alternatywnych materiałów do produkcji baterii i bada możliwość zastąpienia litu sodem lub magnezem, które są tańsze i występują w większej ilości niż lit.
Wyeliminowanie stosowania metali krytycznych w materiałach katodowych może przyspieszyć globalne przyjęcie akumulatorów litowo-jonowych. Organiczne materiały katodowe, pochodzące w całości z pierwiastków występujących w dużych ilościach na ziemi, są w zasadzie idealną alternatywą, ale nie stanowią jeszcze wyzwania dla katod nieorganicznych ze względu na słabą przewodność, niską praktyczną pojemność magazynowania lub słabą cykliczność. Tutaj opisujemy warstwowy organiczny materiał elektrody, którego wysoka przewodność elektryczna, duża pojemność magazynowania i całkowita nierozpuszczalność umożliwiają odwracalną interkalację jonów Li+, co pozwala mu konkurować na poziomie elektrody, we wszystkich istotnych wskaźnikach, z nieorganicznymi katodami akumulatorów litowo-jonowych. Nasza zoptymalizowana katoda przechowuje katodę 306 mAhg-1, zapewnia gęstość energii 765 Wh kg-1katodę, wyższą niż większość katod na bazie kobaltu i może ładować się i rozładowywać w ciągu zaledwie 6 minut. Wyniki te pokazują konkurencyjność operacyjną zrównoważonych materiałów elektrod organicznych w praktycznych akumulatorach.
Znajomy ekspert z Izraela twierdzi, że najlepsze baterie, które są obecnie opracowywane, to baterie grafenowe + aluminiowe opracowywane przez Graphene Manufacturing Group w Australii we współpracy z University of Queensland. Mają podpisane umowy z Rio Tinto (rozwój dużych akumulatorów) i Bosch (projektowanie i rozwój fabryki) i stale zmierzają w kierunku sprzedaży komercyjnej w ciągu trzech lat.
Ich akumulatory wykorzystują tylko grafen i aluminium, są konkurencyjne lub lepsze pod względem żywotności, gęstości energii i mocy, czasu ładowania i bezpieczeństwa, ponieważ nie są palne. Ponadto można je łatwo poddać recyklingowi.
Działają bardzo podobnie do kondensatorów, a w akumulatorze poruszają się tylko elektrony.
...
