Trajanje baterije na pametnim telefonima jedno je od najzanemarivanijih problema. Rezultirao je time da postoji cijela jedna nova industrija rezervnih baterija, prijenosnih punjača i sličnih artikala.
To bi se, međutim, moglo promijeniti najnovijim otkrićem. U znanstvenom radu objavljenom u časopisu Nature Nanotechnology objašnjeno je kako su znanstvenici dizajnirali čistu litijsku anodu s potencijalom da produži trajanje baterija za do 400 posto.
- Od svih materijala koji se mogu koristiti u anodi, litij ima najveći potencijal. Neki ga zovu ‘Sveti gral‘. Nevjerojatno je lagan i ima najviši stupanj gustoće energije. Mogao bi omogućiti manje, ali snažnije baterije. – izjavio je profesor Yi Cui iz Stanfordovog istraživačkog tima.
Znanstveno objašnjenje
Većina baterija koje postoje danas su takozvane litij-ionske baterije. Njihova se jezgra sastoji od tri dijela – elektrolita koji opskrbljuje elektronima, anode koja otpušta elektrone u uređaj i daje mu struju i katode koja elektrone prima nazad u bateriju nakon što su prošli kroz strujni krug uređaja.
Problem leži u činjenici da se litij u litij-ionskim baterijama nalazi u elektrolitu, ali ne u anodi (koja je obično od grafita ili silikona) pa se elektroni ne sakupljaju efikasno prije nego budu poslani u uređaj. Čista litijska anoda, pak, značajno povećava efikasnost i izvedbu. Potraga za ovim rješenjem traje već desetljećima.
Izazovi
Problem s proizvodnjom čiste litijske anode jest u tome da se litijevi ioni šire u strukturama koje nalikuju vlasima. To širenje može biti toliko snažno da može iskriviti i puknuti omot baterije. Čak i kad bi moglo biti kontrolirano, anoda je toliko kemijski reaktivna da konzumira elektrolite pa sposobnost baterije da se ponovno puni drastično opada.
Prethodna istraživanja uspjela su proizvesti bateriju s čistom litijskom anodom koja je bila 96 posto efikasnija, ali je mogućnost ponovnog punjenja pala za skoro 50 posto nakon 100 krugova punjenja.
Proboj
Ono što je uspjelo istraživačima sa Stanforda jest stvoriti bateriju s čistom litijskom anodom koja se nema tako drastično širenje litijevih iona tako da se znatno povećala efikasnost punjenja. Rezultat nastojanja istraživača jest baterija koja zadržava 99 posto efikasnosti punjenja čak i nakon 150 ciklusa punjenja.
To je postignuto izgradnjom ‘nanosfera‘ – zaštitnih slojeva od međusobno povezanih ugljikovih kupola koje se nalaze na čistim litijskim anodama. Svaki sloj ima strukturu u obliku saća koja je fleksibilna, homogena i nereaktivna, što sprječava preveliko širenje litijevih iona i reakciju između anode i elektrode. Nanosfere su nevjerojatno tanke – samo 20 nanometara, odnosno iznose 1/5000 širine ljudske vlasi.
Budući da takva baterija podrazumijeva jednake reakcije unutar jezgre kao standardna baterija, mogla bi stati u postojeće elektronske uređaje bez modifikacija. Uređaji koji mogu mijenjati bateriju bi čak mogli zamijeniti postojeće litij-ionske baterije s novootkrivenima i tako uživati u čak tri puta dužem životnom vijeku baterije.
U budućnosti bi ovo otkriće moglo pomoći da baterije postanu manje i tako dovesti do tanjih uređaja s duljim vijekom trajanja.
- Ako uspijemo poboljšati kapacitet baterija za, recimo, četiri puta, to će biti uzbudljivo otkriće. Moći ćemo imati mobitele s baterijom koja će trajati dva ili tri puta dulje ili električne automobile s dosegom od oko 480 kilometara koji košta samo 25 tisuća dolara. – objasnio je Steven Chu, bivši američki državni tajnik za energetiku i dobitnik Nobelove nagrade, koji je dio istraživačkog tima.
Ipak, da bi takve baterije bile komercijalno održive, moraju dosegnuti efikasnost od 99,9 posto, što je ipak više od trenutnih 99 posto.
- Iako nismo dosegli brojku od 99,9 posto, ovo je i dalje neizmjerno važno otkriće. Uz dodatni inženjering i nove elektrolite, moći ćemo doseći željene brojke i kreirati novu generaciju baterija koje se pune. – zaključio je Cui.