Kaj »preboj« v razvoju fluoro-ionske baterije resnično pomeni
Cambridge Innovation Institute
2019_280_05
Znanstveniki iz raziskovalnega inštituta Honda so skupaj z raziskovalci Kalifornijskega tehnološkega inštituta (Caltech) in laboratorija za reaktivni pogon (JPL) pi NASI nedavno dosegli mejnik v tehnologiji baterij s fluoridnimi ioni (FIB) – zmožnost delovanja energijskih celic pri sobni temperaturi, namesto da bi jih segrevali na vsaj 150 stopinj Celzija. »Omejitev temperature je v mnogih uporabniških aplikacijah neprijetna, če ne celo nemogoča”, pravi Simon Jones, glavni raziskovalec in član tehničnega osebja JPL. Zagotovo nihče ne bi želel nositi pametnega telefona, ki je vroč kot razgreta ponev!
Podrobnosti o tem tehnološkem preboju so bile objavljene v reviji Science 7. decembra 2018.
“Fluoridno-ionske baterije ponujajo visoko energijsko gostoto, vendar so dosedanje raziskave pokazale njihovo delovanje le pri visokih temperaturah, saj je elektrolit trden material,” razlaga Jones. Toda izdelava tekočih elektrolitov s fluoridom, ki raje prevajajo ione ni ravno preprosta predloga. Fluoridi se neradi raztapljajo, če pa se že, se odzovejo, vendar ne zadržijo naboja,“ pravi. Ne glede na to, pa vsa do sedaj preizkušena topila “ne morejo podpirati visokih koncentracij fluoridnih ionov ali neke uporabne delovne napetosti za večje energijske potrebe.” Poleg tega je prihajalo do težav, ker so se elektrodni materiali raztopili v elektrolitu in s tem pospešili propadanje baterije.
“Pri vseh teh težavah je bil vpleten tekoč elektrolit, ki je bil uporaben v svojo solni obliki (suhe soli tetraalkilamonijevega fluorida), izbrano topilo [organski fluorirani eter] in zaščitna lupina [nanostruktura lantanovega fluorida] okoli bakrene elektrode snov, ki prepušča fluorid, topilo pa zadrži,” pravi Jones.
Jones še dodaja, da trenutno testirajo z materiali na osnovi cerija, lantana in bakra, ki so bolj dostopni kot kobalt in litij, ki se danes bolj pogosto uporabljajo v baterijah. Raziskovalna skupina si še vedno prizadeva, da bi naravni kalcijev fluorid deloval kot anoda, kar bi njihovi FIB dodalo tudi “bistveno manjši ekološki odtis.”
Iskanje tekočega elektrolita
Do sedaj so bile vse FIB izdelane v laboratorijskih celicah, ki delujejo le pri visokih temperaturah. Razlog je ta, da je splošno znano, da so “fluoridni ioni koristno prevodni [se gibljejo proti polarizirani elektrodi], ko se elektrolit v trdnem stanju segreje na visoke temperature,” pravi Victoria Davis, vodilna avtorica študije, ki sedaj podiplomsko študira na univerzi v Severni Karolini.
“Velik izziv pri izdelavi fluorid-ionske baterije, ki bi delovala pri sobni temperaturi je, da fluoridni ioni v običajnih tekočih raztopinah niso stabilni,” razlaga Davis. “Fluoridni ioni se bodisi zelo močno spojijo s svojimi nasprotnimi ioni v soli [torej se ne raztopijo v raztopini], če pa se že raztopijo, zlahka reagirajo s katerim koli kislim vodikom, ki je na voljo v raztopini in s tem tvorijo bifluoridne ione.” To je nezaželeno, ker imajo bifluoridni elektroliti majhna “napetostna okna”, kar pomeni majhno uporabno zmogljivost shranjevanja energije. Bifluoridni ioni tudi naravno niso primerni za spodbujanje reakcij pretvorbe na površini elektrode.
“Da bi se izognili bifluoridnim ionom, morajo biti naše soli suhe in združljive z raztopino, v kateri jo želimo raztopiti,” pojasnjuje Davis. „Kot je značilno za raztopine, je bilo treba narediti organsko sol, ki se raztopi v organsko raztopino. Med našimi raziskavami nam je uspelo raztopiti fluoridno sol v organsko raztopino brez tvorjenja bifluoridnih ionov. Uspeli smo izdelati elektrolit s stabilnimi fluoridnimi ioni v tekoči raztopini pri sobni temperaturi in naredili laboratorijsko celico pri sobni temperaturi. ”
Odprta ostajajo mnoga vprašanja
Tržna pričakovanja navadno rastejo hitreje od frustrirajoče počasnega napredka pri razvoju tega akumulatorja, kar je zaznati tudi iz dialogov med akumulatorskimi navdušenci na družabni spletni strani Reddit. Jones ob tem brž poudarja, da je delo njegove raziskovalne skupine po naravi zelo konceptualno. “Na ravni materialov – če upoštevamo samo reakcijo kovine / kovine in brez dodatnih komponent – obstajajo materiali, ki ponujajo zelo visoko energijsko gostoto v primerjavi z njihovimi ekvivalenti litij-ionske (Li-ion) kemije, [na primer grafit in kovinski oksidi], ob predpostavki, da gre za 100% reakcijo. To je naša osnova za primerjavo, ko o drugih komponentah pravzaprav ne vemo ničesar, kako se med seboj ujemajo v resnični celici in kako to primerjati s tipično zasnovo Li-ion celic.”
Primerjava je tudi “volumetrična” glede na energijo ali zmogljivost na enoto prostornine in ne “gravimetrična” in na enoto mase, dodaja. “Če vzamemo gravimetrično primerjavo, fluoridne ionske baterije niso tako privlačne, saj so materiali lahko težji od Li-ionskih ekvivalentov [na primer Cerija], čeprav ostajajo zmagovalke, ko jih primerjamo glede na kapaciteto pri določeni prostornini.”
Objavljena študija kaže, da imajo baterije, ustvarjene z novo kemijo, “več kot petkrat večjo energijsko gostoto od litij-ionskih baterij”, vendar to ni neko zacementirano zagotovilo in tudi primerjava zmogljivosti je zelo “premikajoča se tarča”, pravi Jones. Čeprav so ovire za razvoj s FIB premagane, imajo Li-ionske baterije še vedno na voljo dovolj manevrskega prostora za izboljšave. “Moje izkušnje kažejo, da so inženirji Li-ionskih baterij izjemno usposobljeni za vgrajevanje vse več materiala v vse tesnejši prostor, zato me ne bi presenetilo, če bi vsaj naslednjih nekaj let Li-ionski sistemi še naprej povečevali svojo zmogljivost za nekaj odstotkov na leto.”
Jones pravi, da o varnostnih vidikih celovite zasnove celic, ki sicer še ne obstaja, ni mogoče ugibati. „Končna varnostna shema bo vključevala kombinacijo suhosti elektrolita (nevarnost tvorbe fluorovodikove kisline je povezana z vsebnostjo vode) in reaktivnosti elektrodnih materialov med seboj in z elektrolitskim topilom ob kratkem stiku ali prebijanju (kar bi privedlo do pretiranega nevarnega segrevanja). “Slednje vprašanje bi morda lahko ublažila sama narava materiala elektrode s konceptom jedra in lupine.”
“Dolga pot do vseprisotnosti”
»Mnoge akademske raziskovalne skupine je preboj fluoridne baterije pritegnil k sodelovanju, » pravi Jones, »in okoli novega elektrolita so se že začele skupne študije. Precej pomaga tu dejstvo, da je situacija s patentom pogosto “manj prikrita” v akademskih kot v industrijskih laboratorijih, kar lahko znatno upočasni napredek, dodaja.” Z akademskimi licencami za patente, ki so pogosto neizključujoče in so vezane na ključne mejnike komercializacije, je možnost, da bi nekdo zadržal razvoj neke pomembne tehnologije, veliko manjša.” Njegove raziskave fluoridnih ionov so zajete v patentih in aplikacijah, ki so v celoti ali vsaj delno last Caltech, ki upravlja JPL in spodbuja prenos tehnologije v javnost, “da bi dosegli odlične zmogljivosti tam, kjer se pojavijo potrebe po njih v aplikacijah za resnični svet.”
“Obstaja veliko raziskovalcev elektrokemičnih izdelkov z obilico dobrih idej in želimo jih seznaniti z najnovejšim elektrokemičnim orodjem, s katerim bodo lahko delali,” pravi Jones. “Glede na intenzivne svetovne raziskave litij-žvepla, litijevega kisika, magnezija in drugih baterijskih kemij “nove generacije,” gre tu za nekaj povsem drugačnega in potencialno zelo visokoenergetskega, kar bi se vsekakor splačalo raziskati.”
Čeprav je še “daleč od vseprisotnosti,” nadaljuje Jones, je smiselno pričakovati, da bodo trenutni izzivi s FIB rešeni in bo ta tehnologija v naslednjih nekaj letih kritično ovrednotena kot “zelo blizu komercialni obliki.” Njegove napovedi delno temeljijo na napovedih v zvezi z razvojem Li-ionskih baterij: “Whittingham je prvi prototip opisal leta 1975, kjer je uporabil litijevo kovino v kombinaciji s tekočim elektrolitom. Goodenough je leta 1980 demonstriral litij-kobaltove oksidne katode, Basu in Yazami sta v letih 1977-1982 poskusila z grafitno anodo, Yoshino pa je leta 1985 izdelal prvo polnilno celico, kar je povzročilo, da je Sony leta 1991 dal na tržišče prvi komercialni akumulator. Gre torej za dolgotrajen postopek, trenutno pa smo na stopnjah razvoja elektrolitov, katod in anode za fluoridne ionske baterije (kot recimo okoli leta 1980 po časovni premici Li-ion baterij). Res pa je, da v primerjavi s prvimi poskusi na področju Li-ionskih baterij dela po vsem svetu na področju raziskav v zvezi s to novo baterijsko tehnologijo veliko več ljudi, kot v zgodnjih fazah razvoja Li-ion tehnologije.”
Po besedah Jonesa, jih med ostalimi izzivi čakajo še:
- “Doseganje visoke tokovne zmogljivosti, ki jo ti materiali sicer obljubljajo.” V objavljeni študiji je dal bakreni material le približno 15% svoje teoretične vrednosti. Zadnje poročilo, ki je bilo pripravljeno za objavo, pa kaže “znatno izboljšanje”, ugotavlja Jones. “To bo terjalo še precej naporov.”
- “Doseganje določenega števila ciklov za življenjsko dobo, ki je potrebna za določeno uporabo – npr. sto ciklov za potrošniško elektroniko in tisoč ciklov za avtomobilsko in stacionarno shranjevanje energije.”
- “Načrtovanje inženiringa za bodoči razvoj delovanja celic, saj bo to “postalo možno takoj, ko bo delo s temeljnimi materiali opravljeno,” pravi.
Jones pravi, da najbrž nobena baterija ne bo imela dovolj energije za podporo vesoljskim potovanjem, vendar je fluoridna baterija že v zgodnji fazi morda zelo primerna za scenarije vesoljskih misij, ki potrebujejo visoko gostoto energije, vendar le omejeno število ciklov. Ena izmed takšnih možnosti je Roverjeva misija, ki vključuje „majhno število potovanj, pri katerih je razpoložljiv prostor za hranjenje energije izjemno skrčen.“
Jones pravi, da večina večjih avtomobilskih in elektronskih oziroma industrijskih podjetij investira v vsaj nekaj raziskav v zvezi z baterijami naslednje generacije.” Ugotoviti skušajo omejitve svoje tehnologije v naslednjih petih do desetih letih in v skladu s temi ugotovitvami načrtujejo svoje poslovanje in razvoj.” Ker so njihovi roki precej dolgi, bodo morali pionirski raziskovalci, kot je Jones, imeti na razpolago vsaj pet let, da bodo delujoč prototip nove baterije pripeljali skozi proces “izčrpnega testiranja“, preden se bo tržišče zanjo resnično zagrelo.
Vir: https://www.batterypoweronline.com/news/what-the-fluoride-ion-battery-breakthrough-really-means/
