3 tipuri de baterii ale viitorului

Share on facebook
Facebook
Share on google
Google+
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on pinterest
Pinterest
baterii
Foto: pexels.com

În ultimii 30 de ani nicio invenție nu și-a pus amprenta asupra umanității așa cum au făcut-o bateriile. Acestea joacă un rol vital în toate aspectele vieții cotidiene, îți alimentează telefonul, laptopul, chiar și mașina. Este greu de imaginat cum ar arăta viața noastră fără această minune tehnologică, dar nu imposibil.

Bateriile joacă un rol esențial în lupta împotriva poluării datorate arderii combustibililor fosili. Fără acestea, lumea în care trăim ar fi una mult mai poluată, iar cele mai multe dintre tehnologiile de care ne bucurăm în prezent ar rămâne în domeniul SF-ului.

Prin capacitatea lor în continuă creștere de a stoca energie, scăderea lor în dimensiuni și procesele tehnologice din ce în ce mai ieftine și sigure bateriile Li-ion ne promit un viitor verde.

Bateriile au trei componente principale: catodul, electrolitul și anodul.

Majoritatea bateriilor reîncărcabile folosite de noi sunt de tipul litiu-ion (Li-ion). Aceste baterii au la bază o  reacție chimică, făcând conversia din energie chimică în energie electrică (în timpul descărcării) și conversia inversă din energie electrică în chimică (în timpul încărcării).

Orice baterie are trei componente principale: catodul, electrolitul și anodul. În cazul bateriilor Li-ion comerciale, catodul este alcătuit din litiu metalic sau un oxid de litiu. În interiorul catodului, litiul se află sub formă atomică având înveliș electronic complet, în timpul încărcării bateriei litiul părăsește catodul cedând electroni.

A doua componentă importantă este electrolitul, care funcționează pe post de barieră între catod și anod. În lipsa acestuia, catodul și anodul s-ar atinge, scurtcircuitând bateria. O altă funcție extrem de importantă a electrolitului este de a permite ionilor de litiu trecerea spre anod, dar nu și a electronilor. Astfel, electronii sunt preluați de circuitul electric exterior, iar ionii de litiu (care au acum sarcină pozitivă în urma pierderii electronilor) migrează spre anod.

Anodul este confecționat din grafit, material din care este făcută și mina creioanelor. Acest material special este format din straturi suprapuse de carbon. După ce litiul trece prin electrolit, el este stocat între aceste straturi de carbon. În acest moment, electronii ajung la anod prin circuitul exterior, unde se reîntâlnesc cu ionii de litiu, formând din nou atomi, moment în care bateria este încărcată.

Atomii de litiu nu pot trece prin electrolit, astfel bateria stă încărcată așteptând să fie utilizată. În timpul descărcării atomii de litiu cedează electroni circuitului electric exterior, alimentând aparatul electric. Ionii de litiu trec din anod prin electrolit în catod, unde se întâlnesc din nou cu electronii formând atomi și astfel închizând circuitul electric.

Mai sus am prezentat modul în care bateriile Li-ion convenționale funcționează, dar industria acestor baterii se află într-o continuă căutare de noi materiale cu scopul de a maximiza capacitatea bateriilor.

În continuare vă prezint trei dintre cele mai promițătoare tehnologii pentru următoarea generație de baterii ale viitorului.

Bateriile litiu-sulf

Bateriile litiu-sulf (Li-S) propun o nouă abordare. Acestea sunt alcătuite dintr-un catod de sulf și un anod de litiu.

În catod, sulful se găsește sub formă de inele de opt atomi. În timpul încărcării ionii de litiu migrează spre catod, unde rup aceste inele formând polisulfuri de litiu, Li2Sx (6 < x £ 8), urmând ca în timpul descărcării aceste polisulfuri să fie distruse cu refacerea inelelor de sulf.

Aceste baterii promit o densitate mai mare de energie față de cele convenționale, un potențial crescut și durată de viață mai mare.

Din păcate acest tip de baterie se află în prezent la stadiul de promisiune deoarece se confruntă cu o serie de probleme.

În timpul încărcării sulfura de litiu, Li2S, este convertită înapoi la S8 prin formarea polisulfurilor intermediare, Li2Sx. Aceste polisulfuri intermediare sunt foarte solubile în electroliți lichizi organici, ducând la desprinderea lor de pe catod și trecerea lor în electrolit.

 

 

Astfel cu fiecare proces de încărcare-descărcare, catodul de sulf se dizolvă treptat în electrolit ducând la o pierdere a capacității și la o creștere a vâscozității acestuia. În plus, pe lângă procesul de dizolvare are loc și un proces de reprecipitare, polisulfurile creând o interfață electrolitică pe catod (CEI).

Această depunere nu are ca efect doar scăderea capacității, ci și creștere a rezistenței interne a celulei din cauza blocării traseelor ionice, astfel scăzând mobilitatea ionilor de litiu.

Nu doar catodul este afectat de acest proces de reprecipitare, ci și anodul pe acesta formându-se o interfață electrolitică solidă (SEI). Simultan consumarea electrolitului lichid din celulă are drept consecință o scădere dramatică a numărului de cicluri încărcare-descărcare pe care le poate suferi bateria, în jur de 200.

Imaginează-ți un viitor în care telefonul tău nu are nevoie decât de o încărcare pe săptămână sau un viitor în care poți traversa țara doar cu o încărcare a bateriei mașinii electrice.

În practică, se încearcă dezvoltarea de baterii Li-S cu densitate energetică mare și cu raport electrolit / sulf (E/S) cât mai mic. Atingerea acestui raport mic se dovedește, din păcate, o provocare destul de greu de depășit.

Conform calculelor un raport E/S de 20 mL/g are densitate de energie de 156 Wh/L și o energie specifică de 135 Wh/kg. Când acest raport este redus la 10 mL/g se poate observa o creștere a densității energetice cu 126 de Wh/L și a energiei specifice cu 108 Wh/kg. Chiar și cu această creștere densitatea bateriilor Li-S rămâne mai mică față de cele Li-ion (250–693 Wh/L).

Singura cale prin care bateriile pe bază de sulf le pot depășii pe cele LI-ion este prin o scădere a raportului E/S sub 3 mL/g. La această valoare, bateriile pot atinge o densitate de 787 Wh/L și o energie specifică de 673 Wh/kg. În practică atingerea unui raport sub 3 mL/g se dovedește foarte dificilă, astfel un raport cu valori între 5-10 este mult mai fezabil.

În ciuda tuturor acestor probleme, bateriile litiu-sulf au potențialul de a schimba felul în care energia este stocată. Imaginează-ți un viitor în care telefonul tău nu are nevoie decât de o încărcare pe săptămână sau un viitor în care poți traversa țara doar cu o încărcare a bateriei mașinii electrice. Un astfel de viitor ne propun bateriile litiu-sulf.

Baterii litiu-oxigen

În anii 90 o serie de studii au fost făcute asupra bateriilor reîncărcabile Li-O2. Acestea se bazează pe reducerea oxigenului din aer la catod și oxidarea litiului metalic la anod. Înlocuind cobaltul și nichelul din bateriile clasice, catodul cu oxigen era văzut drept un candidat pentru următoarea generație de baterii, ieftine și cu densitate mare de energie.

Bateriile Li-O2 pot utiliza atât electroliți apoși cât și neapoși bazându-se pe două reacții de conversie deferite:

2Li+ + 2e- + 1/2O2 + H2O – 2LiOH, 3.45 V (apos)  

2Li+ + 2e- + O2 – Li2O2, 2.96 V (neapos)

La fel ca și precedentul tip de baterii, nici cele cu oxigen nu sunt lipsite de probleme, dintre care reamintesc: înfundarea canalelor din structura poroasă a catodului, formarea de straturi nefavorabile pe interfețe, cinetică lentă a oxidării Li2O2, evaporarea electrolitului, formarea de dendrite de litiu, reacții secundare dăunătoare.

În chimia Li – O2 , catodul de oxigen este componentul de bază. În timpul descărcării, care este un proces de reducere a oxigenului (2Li + O2 « Li2O2), ionii de litiu reacționează cu oxigenul generând un produs insolubil, Li2O2. Acest produs este păstrat fie în interiorul unui catod poros, ori fie pe suprafața catodului, astfel formarea produsului urmează două căi: o cale de suprafață sau una de soluție.

 

 

Când O2 este redus prin calea de suprafață, creșterea stratului de peroxid de litiu (Li2O2) pasivează suprafața, blocând transferul de sarcină. În schimb, când procesul de reducere se realizează pe calea soluției, cu ajutorul catodului poros, peroxidul formează  particule de dimensiuni micrometrice în interiorul porilor. Pe măsură ce peroxidul se acumulează tinde să înfunde porii și să blocheze calea de difuziune a O2/Li+, ducând la o „moarte subită” a bateriei.

Unul dintre cele mai importante criterii de performanță al acestui tip de baterie este gradul de ocupare a catodului. La o ocupare teoretică de 12% bateria Li-O2 ajunge la performanțele celor Li-ion, iar la un procent de ocupare teoretică de 40% bateriile cu oxigen ar reprezenta o concurență serioasă pentru bateriile convenționale. În realitate, datorită fenomenului de blocare a porilor aceste procente de ocupare cel mai probabil nu vor da randamentul dorit.

În concluzie, din cauza reversibilității slabe a reacției de oxidare, eficienței energetice mici, duratei de viață scurte și problemele puse de punerea teoriei în aplicare, bateriile Li-O2 nu vor intra prea curând în consumul de masă.

Baterii Li-ion în stare solidă

Având potențialul de a oferii densități mari de energie și grad mare de siguranță, bateriile în stare solidă sunt privite ca o posibilă alternativă pentru următoarea generație de baterii.

Față de bateriile li-ion convenționale, acest tip nou de baterie folosește în locul electrolitului lichid unul în stare solidă.

Conformându-se trendului pornit de celelalte tipuri de baterii, nici acest tip nu este ferit de probleme.

Una dintre cele mai mari este conductivitatea ionică slabă (10-8 – 10-3 S/cm) a celor mai mulți electroliți în stare solidă la temperatura camerei. Comparativ cu bateriile Li-ion de ultimă generație, ce folosesc electroliți lichizi organici, cele în stare solidă au o rată de performanță scăzută și ating cu greu cerințele impuse de autovehiculele electrice.

O altă problemă care apare este stabilirea contactului solid-solid în timpul funcționării, când pot apărea diferențe mari de volum datorita coeficienților de dilatare diferiți.

Un exemplu de astfel de baterie în stare solidă este reprezentat de bateria construită de Dr. Raimund Koerver. Acesta a realizat bateria dintr-un catod NCM-811 și b-Li3PS4 drept electrolit solid. Studii amănunțite asupra acestui tip de baterie a arătat că la potențiale înalte (peste 3.8 V vs. Li+/Li) electrolitul se descompune, cauzând o pierde ireversibilă a capacității.

 

 

Rezultatele studiului au mai arătat prezența unui efect de contracție mecanică a materialului activ din cauza delitierii ce duce la un contact solid-solid slab și la o pierdere a capacității.

Descompunerea electrolitului solid se poate întâmpla și la tensiuni joase, iar pentru a se evita această reacție chimică este necesară dezvoltarea de interfețe electrod/electrolit stabile. Din păcate, această stabilitate chimică vine cu un cost, conductivitate ionică mică.

Nici electroliții în stare solidă nu sunt feriți de formarea dendritelor. Formarea acestora a fost observată chiar și la cei mai denși electroliți.

Bateriile în stare solidă pot fi afectate și de efecte nedorite în urma contaminării celulei cu H2O, O2 și CO2 în timpul fabricării sau a utilizării.

O soluție ar putea veni din partea unei noi metode care propune utilizarea unui electrolit mixt solid/lichid, dar aceasta se află doar în stadiul de cercetare.

În parcursul acestui articol am vorbit despre viitoarele tipuri de baterii, dar asta nu înseamnă că cele pe le folosim în prezent sunt mai puțin spectaculoase. În 2019, cercetătorii John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham și Akira Yoshino au primit premiul Nobel în chimie pentru contribuția lor majoră în dezvoltarea bateriilor litiu-ion. Mai jos îl puteți urmări pe profesorul Sir Martyn Poliakoff, de la Universitatea din Nottingham, dând mai multe detalii despre chimia din spatele acestui mult așteptat premiu Nobel.

 

 

Ca notă de final, aș dori să punctez că în prezent se depun eforturi uriașe de către unii dintre cei mai buni oameni de știință pentru crearea noii generații de baterii pe bază de litiu, astfel avem toate motivele pentru a rămâne optimiști cu privire la viitor.

Mai multe despre cum să rămânem optimiști și să învățăm să ne bucurăm de viață puteți afla din articolul legat de 13 motive ca să fii fericit!

Surse:

 539 total views,  1 views today

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *