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 pristatė visiškai kietojo elektrolito magnio–oro bateriją, atsparią cheminiam irimui – būtent ši problema ilgą laiką ribojo tokios technologijos plėtrą. Vietoje tradicinių platinos pagrindo katodų čia naudojamas azotu legiruotas (dopintas) porėtas grafenas, o elektrolitas – kietas polimerinis gelis, prisotintas magnio chlorido.
Magnio–oro baterijose aktyvioji katodo medžiaga yra ore esantis deguonis. Teoriškai tokios sistemos gali pasiekti energijos tankį, artimą ličio–oro baterijoms. Vis dėlto praktikoje, kai elektrolite yra chlorido jonų, prasideda vidinė chlorinacija: ji pažeidžia baterijos komponentus ir mažina našumą daugkartinio įkrovimo bei iškrovimo ciklų metu.
Tyrėjai daugiausia dėmesio skyrė katodo stabilumo problemai. Įdiegus azotu dopintą porėtą grafeną, pavyko sukurti struktūrą, atsparią chloro junginių poveikiui, kartu išlaikant didelį katalizinį aktyvumą.
Chlorido keliamo pavojaus įveikimas
Sukurtoje baterijoje grafeno katodas derinamas su komerciškai prieinamu magnio metalu kaip anodu, o kaip kietasis elektrolitas naudojamas polimerinis gelis magnio chlorido pagrindu.
Perėjimas nuo skystojo prie kietojo elektrolito reikšmingai pagerino baterijos saugą ir mechaninį patvarumą. Mokslininkų teigimu, ypač svarbi porėta grafeno architektūra: joje pakanka erdvės iškrovos produktams kauptis, be to, sudaromos palankios sąlygos efektyviai masės pernašai. Abu šie veiksniai būtini stabiliai ciklinei oro tipo baterijų veiklai.
Našumo bandymai parodė, kad naujoji sistema pranoksta panašias baterijas su platinos katodais. Šį pranašumą lėmė grafeno atsparumas chlorido sukeltai degradacijai ir didelis katalitinis aktyvumas deguonies reakcijų metu.
Be to, kietojo kūno konfigūracija visiškai pašalino skystojo elektrolito nuotėkio riziką. Tai atveria kelią patikimesniems, praktiniam naudojimui pritaikytiems baterijų sprendimams.
Lanksti ir saugesnė konstrukcija
Mechaninių bandymų metu baterija išlaikė pradinį našumą net sulenkus ją 120 laipsnių kampu. Elektrolito nuotėkio nepastebėta, todėl ypač išryškėjo gelio pagrindo kietojo elektrolito pranašumas prieš skystąsias sistemas.
Gebėjimas patikimai veikti lenkimo apkrovos sąlygomis rodo šios technologijos potencialą lanksčiajai elektronikai ir dėvimiesiems įrenginiams, taip pat elektromobiliams bei stacionarioms energijos kaupimo sistemoms.
Kartu tai, kad naudojamas magnis – gausesnis ir pigesnis metalas nei litis ar platina – galėtų padėti sumažinti tiekimo grandinių rizikas ir bendrą baterijų savikainą.
Magnio–oro sistemos jau seniai laikomos perspektyviomis, tačiau dėl patvarumo problemų jas sudėtinga komercializuoti. Pašalinusi chlorido sukeltą katodo degradaciją ir stabilizavusi elektrolitą, „University of Tsukuba“ komanda parodė realią kryptį link didelės talpos, įkraunamų magnio–oro baterijų.
Jei šį sprendimą pavyktų sėkmingai išplėsti iki pramoninio masto, jis galėtų prisidėti prie pigesnių elektrifikacijos technologijų plėtros ir kartu pagerinti saugą, palyginti su įprastomis ličio pagrindo sistemomis.
