Dmitry Marchenko/Guliver.Getty Images

Overview: Viitorul bateriilor15 min read

De Mihai Ghiduc 28.04.2020

Anul trecut, premiul Nobel a fost acordat cercetătorilor care au dezvoltat bateriile Li-ion, însă lumea științifică încearcă să creeze deja bateriile viitorului: mai eficiente și mai prietenoase cu mediul.

În 2019, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham și Akira Yoshino au primit premiul Nobel pentru chimie„The Nobel Prize in Chemistry 2019”, nobelprize.org pentru dezvoltarea bateriilor de tip litiu-ion. Telefoanele, laptopurile, mașinile electrice moderne își datorează existența acestei invenții, deci premiul respectă regula impusă de Nobel, de a fi acordat pentru o descoperire care a avut un impact major asupra omenirii. Cercetători din întreaga lume lucrează însă, deja, la bateriile viitorului.

Iată cum funcționează bateriile litiu-ion

Orice baterie Li-ion e formată una sau mai multe celule. Fiecare celulă are doi electrozi, unul pozitiv (catodul) și unul unul negativ (anodul), cu un electrolit între ele. De obicei, catodul din oxid de cobalt litiu (LiCoO2) sau fosfat de fier litiu (LiFePO4), anodul e din grafit,Grafitul este permeabil și permite intercalarea atomilor de litiu. iar electrolitul, dintr-un gel sau lichid care nu permite trecerea curentului electric (există soluții diverse). 

Dacă conectezi o baterie la o sursă de curent, aceasta se va încărca: catodul cedează o parte din ionii de litiu, care migrează prin electrolit spre anod. Când folosești bateria, aceasta se descarcă: ionii de litiu migrează spre catod, iar electronii circulă în direcție opusă, prin circuitul format, alimentând astfel dispozitivul conectat la baterie. În cazul bateriilor Li-ion, ciclul poate fi repetat de mii de ori și poate fi oprit oricând fără a afecta starea bateriei, un avantaj major față de toate tipurile de baterii anterioare.

Bateriilor Li-ion au însă îi probleme: 

  1. Nu le poți face cu mult mai ușoare. Ceea ce nu era o problemă până acum, dar începe să devină, pentru că fac mașinile electrice fie prea grele, fie prea puțin autonome. Litiul este deja cel mai ușor element metalic din univers, deci s-ar putea ușura doar catodul, unde, de exemplu, în loc de cobalt să fie folosit fluorDoar că genul ăsta de baterii sunt instabile și ar fi un permanent pericol de incendiu. sau  sulf.S-ar obține de până la de două ori mai multă energie pentru aceeași greutate, dar genul acesta de baterii sunt încă încă în faze incipiente ale dezvoltării. frontiersin.org
  2. Am putea rămâne fără materii prime. Termenul limită este estimat a fi 2050,Conform unor specialiști de la Karlsruhe Institute of Technology, atunci am termina de exploatat litiul și cobaltul disponibil. eurekalert.org dacă nu reușim să reciclăm mai eficient sau nu găsim surse noi.
  3. Crează probleme sociale și de mediu. Cobaltul provine, în mare parte, din Congo, unde e extras în condiții cel puțin dubioase. Nici reciclarea nu e ușoară, pentru că litiul e inflamabil și bateriile uzate iau foc destul de des, dacă nu sunt manevrate corect.

De aceea, cercetătorii caută soluții mai prietenoase. Iată câteva descoperiri recente care ar putea aduce, la rândul lor, premiul Nobel cercetătorilor peste câțiva zeci de ani. 


Baterii aluminiu-ion

În cazul aluminiul, spre deosebire de litiu, avem un circuit de fabricare-reciclare mult mai bine pus la punct, ceea ce înseamnă că am putea face baterii mai ieftine. Ca să nu mai zic că aluminiul nu e inflamabil, o veste bună pentru cei care recicleză și pentru companiile aeriene. Un alt avantaj al aluminiului e că e multivalent, putând purta trei electroni într-un ion, față de unul singur în cazul litiului.

În momentul de față, nu există baterii aluminiu-ion pe piață, însă mari centre de cercetare din lume au încercat dezvoltarea unora. Cele mai promițătoare vești au venit de la universitățile Stanford„An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery”, nature.com și Zhejiang.„Scientists develop ultrafast battery with quarter-million cycle life”, phys.org În ambele cazuri vorbim de încărcarea bateriei într-o secundă, de faptul că e flexibilă și că rezistă la mii sau milioane de cicluri de încărcare-descărcare fără a-și pierde capacitatea.

Un concept recent, dezvoltat de cercetători de la Universitatea Chalmers,„Concept and electrochemical mechanism of an Al metal anode ‒ organic cathode battery. Energy Storage Materials, 2019”; sciencedirect.com propune folosirea unui catod dintr-o moleculă organică, numită antrachinonă, și un electrod din aluminiu, cu clorină pe post de electrolit. „Bateriile au o densitate energetică la jumătatea de celor litiu-ion, însă obiectivul nostru pe termen lung este să obținem aceeași densitate de energie”, a declarat cercetătorul Patrik Johansson pentru Science Daily.„A new concept could make more environmentally friendly batteries possible”, sciencedaily.com Până reușesc cercetătorii să facă asta, bateriile bazate pe aluminiu sunt puțin viabile din punct de vedere economic.


Baterii potasiu-metal

Potasiul a fost propus drept înlocuitor pentru litiu, pentru să găsește din abundență și ar fi mult mai simplu de produs. Are însă și niște dezavantaje: e mai greu și mai instabil. Un prim prototip de baterie potasiu-ion, cu anod din carbon și catod din  albastru de Berlin,Hexacianoferatul de fier e folosit de obicei drept colorant. a fost propus în 2004 de Ali Eftekhari, un cercetător iranian,„Potassium secondary cell based on Prussian blue cathode”, doi.org  dar ulterior au apărut și alte variante bazate pe substanțe care conțin potasiu.

A mai fost propusă și înlocuirea anodului bazat pe grafit cu unul bazat pe potasiu (de aici denumirea de potasiu-metal), ceea ce ar crește eficacitatea bateriei. Însă acest lucru duce la o altă problemă: în timpul ciclurilor de încărcare-descărcare, potasiul nu se depune uniform pe anod și formează dendrite, filamente de metal care se extind în afara electrodului. Dacă acestea devin prea lungi și ajung până la catod, bateria se scurtcircuitează și ia foc. Cu siguranță, nu vrei să ai așa ceva în telefon sau laptop. Problema apare și la alte tipuri de baterii cu un anod metalic.

Recent, cercetători de la Institutul Politehnic Rensselaer, au anunțat o soluție pentru această problemă. Practic, e vorba de creșterea în mod controlat a temperaturii bateriei, ceea ce va forța anodul să se autorepare. „Cu această abordare, noaptea sau ori de câte ori nu este utilizată bateria, va exista un sistem de gestionare a bateriei care să aplice căldura local, ceea ce ar provoca dendritele să se autovindece”, a declarat Nikhil Koratkar, autorul studiului.„Potassium Metal Battery Emerges as a Rival to Lithium-Ion Technology”, news.rpi.edu Cercetătorii trebuie însă să demonstreze că această abordare funcționează pe termen lung și că apariția dendritelor poate fi evitată. Ultima dată când o baterie a explodat din senin a făcut ca toate telefoanele Samsung Note 7 să fie interzise în avioane.


Baterii sodiu-ion

Un alt element mai abundent și mai ușor de extras decât litiu e sodiul, motiv pentru care titlurile despre dezvoltarea unei baterii de tip sodiu-ion vorbesc despre baterii create din apă de mare„Will the future’s super batteries be made of seawater?”, sciencedaily.com Cercetători de la Departamentul de Chimie, Fizică și Farmacie al Universității Danemarcei de Sud propun un catod din fier, mangan și fosfor, în care manganul e elementul nou introdus în ecuație. 

Vorbim însă de elemente mult mai grele decât litiul, ceea ce duc o baterie mai grea. Cum și eficacitatea e sub cea a bateriilor de tip litiu-ion, e puțin probabil să apară baterii mobile bazate pe sodiu, ci mai degrabă unele fixe, folosite pentru stocarea energiei produse de diverse centrale electrice. Și durata de încărcare a unei baterii este prea mare pentru dispozitive comerciale, dar asta n-ar fi o problemă în cazul unei utilizări industriale.


Baterii solid-state

Cercetători de la Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) și Samsung R&D Institute Japan (SRJ) au anunțat pe 9 martie că ar putea dezvolta  un nou tip de baterie solidă,„Samsung Presents Groundbreaking All-Solid-State Battery Technology to ‘Nature Energy’”, news.samsung.com, ceea ce e o veste excelentă când vine de la un producător comercial. E genul de știre care ne spune că sunt șanse ridicate să ajungă într-un un produs pentru consumatori.

Ce sunt bateriile solide? Sunt tot baterii al căror catod e bazat pe litiu, iar electrolitul care separă electrozii este solid, cum ar fi ceramica sau diverși polimeri, anodul fiind făcut din diverse materiale. În general, le găsești în peacemakeruri, dispozitive RFID sau brățări de fitness și ceasuri.

Bateriile cu anod bazat pe litiu ar fi extrem de eficiente. Problema de până acum era formarea dendritelor. Aceasta pare a fi rezolvată de cei de la Samsung prin adăugarea unui strat de doar cinci microni, dintr-un compozit de carbon și argint, anodului bateriei. Prototipul creat a putut alimenta o mașină pentru 800 km, dublu față de o baterie litiu-ion clasică. Deși pare cel mai aproape de a deveni un produs comercial, tehnologia producerii bateriilor solide rămâne costisitoare și nu rezolvă problema utilizării unui metal greu de obținut și non-ecologic ca litiul.



Text de

Mihai Ghiduc

Redactor-șef. A oscilat între print (Opinia studențească, Men's Health, Maxim, Marie Claire) și online (Vice, Glamour, Slow Forward) până l-a prins din urmă revoluția tehnologică.

TEHNOLOGIE|Q&A

Alexandra Ștefănescu, Code for Romania: „Cea mai mare parte a infrastructurii din spatele internetului pe care-l folosim azi este software open source”

De
Alexandra Ștefănescu, Chief technology Officer Code for Romania, vorbește despre importanța factorului uman într-o lume digitală, nevoia de a crea sisteme de operare cu sursele deschise și voluntariatul în perioade de criză. 
ȘTIINȚĂ|OVERVIEW

Perseverance explorează Planeta Roșie cu tehnologie din anii ‘90

De
Perseverance explorează Planeta Roșie cu tehnologie din anii ‘90
TEHNOLOGIE|OVERVIEW

Cum afli și ce faci dacă ți-au fost scurse datele pe net

De
Un efort mic pentru a te proteja de hackeri, un pas mare pentru securizarea datelor
SOCIETATE|OVERVIEW

Pandemia amplifică inegalitățile digitale din societate

De
Numai 20% dintre românii cu vârste cuprinse între 65-74 de ani accesează internetul zilnic. Lipsa accesului la online și a competențelor digitale crește inechitatea socială în pandemie, reduce șansele la informație verificată și la sprijin social.