Elektromobilių ir tinklo energijos kaupimo sistemų veikimas šiandien stipriai priklauso nuo ličio ir kitų brangių metalų.
Japonijos mokslininkai teigia sukūrę perspektyvią alternatyvą – įkraunamą magnio–oro bateriją su grafeno pagrindo katodu, kuri gali būti pigesnė ir saugesnė už įprastas ličio sistemas.
„University of Tsukuba“ tyrėjų komanda sukūrė visiškai kietojo elektrolito magnio–oro bateriją, kuri atspari cheminiam irimui – būtent tai ilgą laiką ribojo šios technologijos plėtrą.
Vietoje tradicinių platinos pagrindo katodų ši baterija naudoja azotu legiruotą (dopintą) porėtą grafeną, o elektrolitui taikomas kietas polimerinis gelis, prisotintas magnio chlorido.
Magnio–oro baterijose kaip aktyvioji medžiaga katode naudojamas ore esantis deguonis. Teoriškai tokios sistemos gali pasiekti energijos tankį, artimą ličio–oro baterijoms.
Tačiau praktikoje, esant chlorido jonams elektrolite, prasideda vidinė chlorinacija – ji pažeidžia baterijos komponentus ir mažina našumą daugkartinio įkrovimo ir iškrovimo ciklų metu.
Tyrėjai sutelkė dėmesį į katodo stabilumo problemos sprendimą. Įdiegus azotu dopintą porėtą grafeną, pavyko sukurti struktūrą, atsparią chloro junginių poveikiui ir kartu išlaikančią aukštą katalizinį aktyvumą.
Chlorido keliamo pavojaus įveikimas
Sukurtoje baterijoje grafeno katodas derinamas su komerciškai prieinamu magnio metalu kaip anodu ir magnio chlorido pagrindu suformuotu polimeriniu geliu kaip kietuoju elektrolitu.
Perėjimas nuo skystojo prie kietojo elektrolito gerokai pagerino baterijos saugumą ir mechaninį patvarumą.
Mokslininkų teigimu, itin svarbus vaidmuo tenka porėtai grafeno architektūrai. Joje pakanka erdvės iškrovos produktams susikaupti ir sudaromos palankios sąlygos efektyviam masės pernašos procesui – abu šie veiksniai būtini stabiliai ciklinei oro pagrindo baterijų veiklai.
Atlikti našumo bandymai parodė, kad naujoji sistema lenkia panašias baterijas, kuriose naudojami platinos katodai.
Tokį pranašumą lėmė grafeno atsparumas chlorido sukeliamai degradacijai ir jo didelis katalitinis aktyvumas deguonies reakcijų metu.
Be to, kietojo kūno konfigūracija visiškai pašalino skystojo elektrolito nuotėkio riziką. Tai atveria kelią patikimesniems, praktiškam naudojimui pritaikytiems baterijų sprendimams.
Lanksti ir saugesnė konstrukcija
Mechaninių bandymų metu baterija išlaikė pradinį našumą net tada, kai buvo sulenkta 120 laipsnių kampu. Jokio elektrolito nuotėkio nebuvo pastebėta, todėl ypač išryškėjo gelio pagrindo kietojo elektrolito pranašumas prieš skystąsias sistemas.
Galimybė patikimai veikti esant lenkimo apkrovai rodo šios technologijos potencialą lanksčiajai elektronikai ir dėvimiesiems įrenginiams, taip pat elektromobiliams ir stacionarioms energijos kaupimo sistemoms.
Kartu tai, kad naudojamas magnis – gausesnis ir pigesnis metalas nei litis ar platina – gali padėti sumažinti tiekimo grandinių rizikas ir bendras baterijų sąnaudas.
Magnio–oro sistemos jau seniai laikomos perspektyviomis, tačiau sunkiai komercializuojamomis dėl jų patvarumo problemų.
Pašalinus chlorido sukeltą degradaciją katode ir stabilizavus elektrolitą, „University of Tsukuba“ komanda parodė realią kryptį link didelės talpos, įkraunamų magnio–oro baterijų.
Sėkmingas šio sprendimo mastelio padidinimas galėtų prisidėti prie pigesnių elektrifikacijos technologijų plėtros ir kartu pagerinti saugą, palyginti su įprastomis ličio pagrindo sistemomis.
