Superelektrolit za (super)baterije

Za električne baterije vrijedi ono što vrijedi za sve što je električno: strujni se krug mora zatvoriti. I drugo:  naboji se moraju prenositi. Pa u čemu je onda razlika između električne baterije i električnog glačala?

Razlika je što se u električnim uređajima naboji prenose žicom, metalnim vodom, a takvim se vodom mogu prenositi samo elektroni. U električnim pak baterijama naboj se prenosi i elektronima (kroz žicu) i ionima, kroz elektrolit. Da bi baterija bila efikasna  mora imati, kao i svaki drugi električni uređaj, što manji unutrašnji otpor. O čemu on ovisi?

Kod metala je sve jasno: neki lako (bakar, srebro), a drugi teško vode električnu struju, tj. elektrone. Kod elektrolita je malo drukčije. Vodljivost elektrolita ovisi o vrsti no i o koncentraciji iona. Destilirana voda teže provodi struju od vode što curi iz slavine, pa se upravo mjerenjem električne vodljivosti vidi koliko je čista. Neki je kemičar u 19. stoljeću htio napraviti najčišću vodu, pa je vodu uzastopce destilirao čak 40 puta, sve dok joj daljnjim destilacijama više nije mogao smanjiti vodljivost (tj. povećati električni otpor). Sva sreća da danas postoje ionski izmjenjivači koji pročiste vodu bolje od 40 uzastopnih destilacija.

I tako smo došli do teme današnjeg članka. Da bi se napravila dobra baterija treba napraviti što vodljiviji elektrolit, a to znači elektrolit sa što većom koncentracijom soli. No tu je zamka. Svaka se sol može otapati u vodi samo do zasićenja i – još gore – što je temperatura niža niža je i koncentracija zasićenja. Drugim riječima: ohladimo li bateriju, sol će se iskristalizirati – a baterija propasti.

I evo rješenja problema – stiže nam iz Švicarske. Trojica tamošnjih znanstvenika uspjeli su napraviti bateriju s vodenim elektrolitom koji  se ne kristalizira ni kada se ohladi na -120 oC (a rezultate objavili u časopisu ACS Materials Letters). Kako su to postigli?

Rješenje je pravo Kolumbovo jaje. Da bi se sol izlučila iz otopine ona se mora iskristalizirati, a iskristalizirat će se to lakše što su molekule simetričnije. (Objašnjenje za to što sam rekao sasvim je jednostavno.  Kristali su simetrične tvorevine, pa ih je lakše „slagati“ od pravilnih, simetričnih iona i molekula – baš kao što je lakše složiti kocku od cigle nego od neobrađena kamena.) Stoga su se švicarski znanstvenici poslužili nesimetričnim solima, ili – rečeno bolje i točnije – nesimetričnim anionima. Kombinacijom  dvaju  simetričnih aniona, TFSI i FSI, napravili su treći, nesimetrični – FTFSI. Od tih su iona pripravili natrijeve soli, a onda te soli, NaFSI i NaFTFSI, kombinirali u različitim omjerima. Najboljom se pokazala smjesa  NaFSI i NaFTFSI u molarnom omjeru 25:10.

Baterija s tim elektrolitom radila je praktički bez promjene kapaciteta na temperaturi od -10 do 30 oC,  uz specifičnu energiju od  64 Wh/kg. Usto je ostala upotrebljiva i nakon 500 ciklusa punjenja i pražnjenja, jer joj je kapacit pao za ne više od  četvrtine početne vrijednosti.  Svoju su bateriju proglasili „visokonaponskom“ (high-voltage), iako radila pri maksimalnom naponu od samo 2,2 V. To je zato što obične baterije s vodenim elektrolitom ne mogu raditi na naponu višem od 1,23 V, pri kojem dolazi do elektrolize vode.

A sada  neizbježno pitanje: „Čemu takva baterija kad imamo one litij-ionske s četiri puta većom specifičnom energijom (oko 250  Wh/kg) uz gotovo dvostruko  viši napon (3,7 V)?“  Kao prvo,  nova  baterija s vodenim elektrolitom može raditi u svim vremenskim uvjetima, ljeti isto tako dobro kao i zimi. Također  je ekonomičnija jer se temelji na jeftinom natriju, a ne na skupom litiju. (I elektrode su bile napravljene od jeftinog materijala, naime spojeva natrija, titanija, vanadija, fosfora i fluora:  anoda od NaTi2(PO4)3, a  katoda od Na3(VO)2(PO4)2F.) No najveća je prednost nove baterije u tome što je nezapaljiva, što se nikako ne bi moglo reći za litij-ionske baterije kojima stalno prijeti opasnost od  požara. Sve u svemu riječ je o novoj nadi sveopće elektrifikacije prometa – koja se neće i ne može, kako neki misle, temeljiti samo na jednom tipu baterije. Bit će to robusni, nekoliko tona teški uređaji koji će se puniti iz obnovljivih izvora energije te će biti stalno na usluzi našim električnim automobilima.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je doktor prirodnih znanosti iz područja kemije, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Do umirovljenja radio je u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI)  baveći se bioanorganskom i teorijskom (računalnom) kemijom. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti surađujući u mnogim časopisima i revijama (Priroda, ABC tehnike, Čovjek i svemir, Modra lasta, Smib, Fokus). Napisao je više od dvije tisuće znanstveno-popularnih članaka, 13 znanstveno-popularnih knjiga te u koautorstvu dva sveučilišna udžbenika iz područja dizajniranja lijekova. Sada piše za mrežne stranice  Zg-magazina te za časopis Čovjek i svemir te, naravno, za BUG online. U časopisu Kemija u industriji je stalni komentator te  urednik rubrike „Kemija u nastavi“. Godine 2003. dodijeljena mu je Državna godišnja nagrada za promidžbu i popularizaciju znanosti.

Please follow and like us: