Baterija na staklenički plin

U kemiji je uz dobar katalizator sve moguće. Ne baš sve, ali… recimo to tako, gotovo sve  (ili metaforički sve). Katalizatori, uči se u kemiji, snižavaju aktivacijsku energiju reakcije i tako ubrzavaju kemijske procese. Ili, točnije, ubrzavaju uspostavljanje kemijske ravnoteže. No, najlakše je katalizatore razumjeti ako ih usporedimo s mazivim uljem. Ako nema goriva, nikakvo ulje neće pokrenuti motor, no bez ulja motor će se jedva pokrenuti, a onda stati, stati zauvijek.

Iz toga proizlazi logičan zaključak: kao što strojar pokušava uljem i na druge načine smanjiti trenje, tako i kemičar – posebice tehnolog – nastoji pronaći katalizator koji će ga brzo i sigurno dovesti do željenog produkta. Da se vodikov peroksid (H2O2) raspada (na vodu i kisik) jedva možemo znati po mjehurićima kisika koji se naziru u boci. No ako u vodikov peroksid stavimo katalizator (primjerice MnO2) reakcija će biti – uz visoku koncentraciju vodikova peroksida – tako silovita da će podignuti čovjeka s raketnim rancem u zrak. Baš tako, vodikov peroksid je raketno gorivo s brzinom istjecanja u vakuumu od 1,3 km/s (za usporedbu: za kombinaciju vodik + kisik brzina istjecanja iznosi 4,1 km/s).

 Što vrijedi za kemijske reakcije općenito, vrijedi i za elektrokemijske reakcije napose. Mnoge su elektrokemijske reakcije moguće, ali su tako spore da se ni za što ne mogu iskoristiti. No uz dobar katalizator… I eto, u časopisu Matter nedavno je osvanuo znanstveni rad kineskih znanstvenika „Ultrathin RuRh alloy nanosheets enable high-performance lithium-CO2 battery“. Najkraće rečeno: zahvaljujući slitini rutenija (Ru) i rodija (Rh) – u omjeru Ru:Rh = 85:15 – znanstvenici su uspjeli napraviti katodu litij-ionske baterije koja umjesto skupog i rijetkog oksida kobalta, CoO2, koristi najjeftiniji i najdostupniji oksid –  oksid ugljika, CO2.

Pri pražnjenju baterije jedan dio ugljikova dioksida  prima elektrone te se reducira u elementarni ugljik, C,  dok se drugi dio spaja s kisikom i litijevim ionima koji elektrolitom pristižu s anode: 4 Li+ + 3 CO2 + 4 e → 2 Li2CO3 + C. Ili, drugim riječima (i drugom jednadžbom), riječ je o oksidaciji litija (na anodi) ugljikovim dioksidom (na katodi): 4 Li + 3 CO2 → 2 Li2CO3 + C.

Rezultat tog procesa je da se na ugljičnoj katodi na kojoj se nalaze čestice katalizatora nakupljaju čestice litijeva karbonata i ugljika. Kada se pak baterija puni, ugljik se spaja s kisikom karbonatnih iona, oslobađa se CO2, a litijevi ioni (Li+)  sele se na anodu gdje se reduciraju na elementarni litij (Li). Riječ je dakle o obratnoj reakciji od prije navedene: 2 Li2CO3 + C → 4 Li+ + 3 CO2 + 4 e (na katodi)  ili 2 Li2CO3 + C → 4 Li + 3CO2 (sve skupa, na katodi i anodi). Tako to izgleda sa stajališta kemije. A sa stajališta elektrotehnike?

Kao prvo, litij-CO2 baterija ima vrlo veliku specifičnu gustoću energije. Teoretski, ona iznosi 1876 Wh kg-1  ili 6,8 MJ kg-1. U spomenutom radu, baterija je neprekidno radila 15 dana (360 sati) izvršivši pri kapacitetu 1000 mAh g-1 180 ciklusa punjenja i pražnjenja, a da nije zapaženo opadanje kapaciteta.

No ima još jedna dobra strana nove vrste litij-ionskih baterija, možda najvažnija:  ekonomičnost.

Iako su rutenij i rodij rijetki i skupi metali, količina katalizatora izuzetno je mala. On je nanešem na katodu u obliku trokutastih prizmi, s bridovima baze od  16 nm, no prizme imaju samo šest do osam slojeva atoma, drugim rječima visoke su jedva dva nanometra. Nakon izbijanja baterije, na njima nastaje talog  550 nm velikih čestice litijeva karbonata. Kako se litijev karbonat otapa u vodi, a i iz drugih razloga, elektrolit za CO2-bateriju nije voda nego dimetil sulfoksid.

I na kraju ono najvažnije: ugljikov dioksid. Ako pogledamo kemijske jednadžbe koje opisuju rad ove jedinstvene baterije, vidi se da je CO2 zapravo gorivo. Automobil s takvim baterijama, ako ga bude, nosit će spremnik stlačenog ugljikova dioksida (ili, bolje, suhog leda koji će služiti i za hlađenje baterija). Kažem to zato jer se CO2 neće moći uzimati izravno iz zraka, prvo zato što ga u zraku ima jako malo (svega 0,03%), a drugo – još važnije – što bateriji smeta kisik. No to nije velika prepreka. Primjena nove baterije vidi se prije svega u pogonima u kojima se proizvodi ugljikov dioksid, recimo pri proizvodnji bioetanola ili bioplina (smese CH4 i CO2). Tako bi pogoni za proizvodnju biogoriva mogli postati i pomoćne elektrane:  u slučaju potrebe proizvodili bi električnu energiju (iz CO2), a u slučaju preopterećenja mreže pohranjivali višak električne energije u svoje baterije.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda,  a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.