Vedcom sa podarilo nájsť zatiaľ najsľubnejšiu náhradu za lítium, ktoré je dnes vo veľkom používané v batériách naprieč širokou škálou elektroniky či vozidiel. Zistili, že sodík by mohol prispieť k výrobe porovnateľne efektívnych batérií.

Portál Phys nedávno upozornil na prácu vedcov z univerzity NUST MISIS, Ruskej akadémie vied a nemeckého inštitútu HZDR, ktorým sa podarilo učiniť pokrok vo vývoji alternatívnych batérií.

Zistili totižto, že namiesto lítia (Li) sa môže sodík (Na) vrstvený špeciálnym spôsobom použiť na výrobu batérií, čo detailne popísali aj vo svojej štúdii publikovanej v žurnále Nano Energy.

Lítium je efektívne, no je drahé a jeho zásoby sú obmedzené

Lítium-iónové batérie sa v dnešnom svete používajú snáď všade, od smartfónov, cez notebooky, fotoaparáty, vozidlá a všemožné druhy elektroniky. Tieto všadeprítomné batérie vstúpili na trh v roku 1991, pričom v roku 2019 dostali ich vynálezcovia Nobelovu cenu za chémiu a za revolučný príspevok k rozvoju technológie.

Zobraziť celú galériu (3)

Pexels

Lítium je však drahým alkalickým kovom a jeho zásoby sú celosvetovo obmedzené. V súčasnosti ale neexistuje žiadna účinná alternatíva k lítium-iónovým batériám a vzhľadom na to, že lítium je jedným z najľahších chemických prvkov, je veľmi ťažké ho vymeniť za iný prvok a vytvoriť porovnateľné veľkokapacitné batérie.

Sodík ako vhodná alternatíva?

Tím vyššie spomenutých vedcov, vedených profesorom Arkadijom Krashennikovom, zdá sa napriek všetkému vhodnú alternatívu objavil.

Vzájomnou spoluprácou zistili, že ak sú atómy vo vzorkách rôznych prvkov určitým spôsobom „vrstvené“, následne aj alkalické kovy iné ako lítium môžu rovnako vykazovať vysokú energetickú intenzitu.

Zobraziť celú galériu (3)

Obrázok znázorňujúci jednovrstvovú a viactvrstvovú štruktúru materiálov ako grafén (modrá farba) a atómov alkalických kovov (zelené goľúčky). Naľavo sa nachádza grafické zobrazenie, ktoré uvádza porovnanie interkalárnej energie rôznych materiálov v závislosti od ich vrstvenia. Zdroj: Nano Energy

Ukázalo sa, že najsľubnejšou náhradou za lítium je sodík (Na), pretože dvojvrstvové usporiadanie atómov sodíka do formy bigrafénu vykázalo kapacitu anódy porovnateľnú s kapacitou konvenčnej grafitovej anódy v Li-ion batériách – približne 335 mA * h / g oproti 372 mA * h / g v prípade lítia. Sodík je však oveľa bežnejší ako lítium, a preto je lacnejší a ľahšie sa získava.

Je revolúcia batérií na obzore?

Za vyššie uvedené výsledky je zodpovedný špeciálny spôsob vrstvenia atómov, respektíve ich ukladania na seba do vrstiev. Táto štruktúra je vytvorená prenosom atómov z kúska kovu do priestoru medzi dvomi listami grafénu pri vysokom napätí, čo simuluje proces nabíjania. Konečný produkt pozostáva z vrstvy uhlíka, dvoch vrstiev alkalického kovu a ďalšej vrstvy uhlíka.

„Dlho sa verilo, že atómy lítia v batériách môžu byť umiestnené iba do jednej vrstvy, inak bude systém nestabilný. Napriek tomu nedávne experimenty s našimi nemeckými kolegami ukázali, že pri starostlivom výbere metód je možné medzi vrstvami grafénu vytvoriť viacvrstvové stabilné lítiové štruktúry, čo otvára široké vyhliadky na zvýšenie kapacity takýchto štruktúr, a preto sme sa začali zaujímať o možnosť vytvorenia viacvrstvových štruktúr s inými alkalickými kovmi, vrátane sodíka za pomoci počítačovej simulácie,“ uviedol Ilya Chepkasov, výskumník z NUST MISIS.

„Naša simulácia ukazuje, že atómy lítia sa oveľa silnejšie viažu na grafén, ale zvyšovanie počtu vrstiev lítia viedla k menšej stabilite. Opačný trend bol ale pozorovaný v prípade sodíka – zvyšovaním počtu vrstiev sodíka sa stabilita takýchto štruktúr zvyšuje, takže dúfame, že tieto materiály sa preukážu aj v experimentoch,“ povedal Zakhar Popov, vedecký pracovník laboratória NUST MISIS.

Ďalším krokom výskumného tímu bude vytvorenie experimentálnych vzoriek, ktoré budú následne podrobené štúdiám v laboratóriu. Tento proces bude vykonaný v Inštitúte Maxa Plancka pre výskum tuhých látok, ktorý sa nachádza v Štuttgarte.