Mokslininkai iš Pažangiųjų medžiagų tyrimų instituto „Advanced Institute for Materials Research“ („WPI‑AIMR“) prie „Tohoku University“ Japonijoje sukūrė ilgaamžius, manganu praturtintus oksidinius katodus, kurių ciklinės charakteristikos beveik idealios. Tai – reikšminga pažanga ličio jonų baterijų srityje.
Ličio jonų baterijos yra vienas svarbiausių perėjimo prie elektrifikuotos ekonomikos ramsčių. Jos saugo iš saulės ir vėjo gaunamą atsinaujinančią energiją, varo elektromobilius, leidžiančius nuvažiuoti didelius atstumus be išmetamųjų dujų, ir užtikrina energijos tiekimą nuo miniatiūrinių dėvimųjų įrenginių iki didžiulių energijos kaupimo sistemų.
Mangano reikšmė ir kobalto problema
Nors ličio jonų baterijos plačiai naudojamos, jų gamyba kelia nemažai iššūkių. Vienas svarbiausių komponentų yra kobaltas – brangus ir neretai išgaunamas neetiškomis sąlygomis. Didėjant baterijų poreikiui, kobalto gavyba ir naudojimas ima kelti daugiau aplinkosauginių ir socialinių problemų, nei sprendžia.
Baterijoje yra du pagrindiniai elektrodai – katodas ir anodas, kurių veikimas lemia visos baterijos savybes ir ilgaamžiškumą. Katodų gamyba yra santykinai brangi, todėl kobalto keitimas manganu gali būti veiksmingas būdas mažinti kaštus. Mangano atsargos pasaulyje yra gausios ir jis yra gerokai pigesnis.
Tačiau ankstesni bandymai vietoje kobalto naudoti manganą susidūrė su rimtomis problemomis. Viena jų – vadinamosios Jahn–Teller (JT) deformacijos, kai erdviškai degeneruotą elektroninę būseną turinčios nelinijinės molekulės geometriškai persitvarko taip, kad sumažintų savo energiją. Katodo medžiagose tai lemia struktūrinius nestabilumus ir spartesnį irimą.
Mokslininkų sprendimas: tarpfazių orbitinė inžinerija
„WPI‑AIMR“ tyrėjų komanda pasitelkė vadinamąją tarpfazių orbitinę inžineriją, kad įveiktų struktūrines problemas, dešimtmečiais stabdžiusias mangano pagrindo katodų plėtrą.
Ankstesniuose bandymuose JT deformacijos mangano jonų aplinkoje buvo bandomos mažinti dopavimu arba stambiapluoštėmis katodo dangomis. Tačiau Japonijos mokslininkai nusprendė spręsti pačią šių deformacijų atsiradimo priežastį ir ieškojo sprendimo atominiu lygmeniu.
Jie sukūrė struktūras, kuriose naudojama vadinamoji orbitinė geometrinė frustracija nekolineariuose tarpfaziniuose paviršiuose. Tokia struktūra neleidžia elektronams vienu metu pasiekti minimalaus energijos lygio, todėl JT deformacijos yra nuslopinamos ir išvengiama medžiagos irimo.
Šis metodas, paremtas elektroninių orbitų topologija, leido pasiekti beveik idealią ciklinę katodo stabilumą – atlikus 500 įkrovimo ir iškrovimo ciklų, katode nebuvo pastebėta reikšmingos degradacijos. Be to, toks požiūris padeda susieti elektrochemiją ir kietojo kūno fiziką, atverdamas naują paradigmą deformacijoms atsparioms energijos kaupimo medžiagoms kurti.
Pigesnės, patikimesnės ir tvaresnės baterijos
Mangano, kaip gausaus ir nebrangaus kobalto pakaitalo, naudojimas reiškia, kad šia technologija pagrįstos ličio jonų baterijos bus pigesnės, ilgaamžiškesnės ir draugiškesnės aplinkai. Katodų degradacijos lėtėjimas užtikrina stabilesnę talpą ir įtampą per visą baterijos eksploatacijos laiką.
Elektromobilių srityje tai galėtų reikšti mažesnę automobilių kainą ir patikimesnį nuvažiuojamą atstumą be baimės, kad baterija smarkiai nusidėvės po kelerių metų naudojimo. Vartotojams tai – ilgesnė baterijos tarnavimo trukmė, o gamintojams – mažesni garantiniai kaštai.
Didelio masto energijos kaupimo sistemose ličio–mangano oksido baterijos galėtų efektyviai saugoti didelius atsinaujinančios energijos kiekius ir tiekti juos piko metu. Taip būtų lengviau subalansuoti elektros tinklus, sumažinti priklausomybę nuo iškastinio kuro ir pasiekti švaresnę, žalesnę ekonomiką mažesnėmis sąnaudomis.
Kaip pažymi „WPI‑AIMR“ profesorius Hao Li, dėl mangano kainos pranašumų mangano oksidai yra vieni komerciškai perspektyviausių katodų medžiagų ir natrio jonų baterijoms. Tai atveria papildomas galimybes, kai ateities baterijų technologijos vis labiau remsis gausiomis ir lengvai prieinamomis Žemės ištekliais.
