Chemicy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) stworzyli katodę akumulatorową z materiałów organicznych. Nowy produkt może zmniejszyć zależność producentów pojazdów elektrycznych od metali rzadkich. Wiele pojazdów elektrycznych jest wyposażonych w akumulatory zawierające kobalt, zwany także Co w układzie okresowym. Ten sam metal ma jednak wiele wad, tj. wysoką cenę oraz problemy środowiskowe i społeczne towarzyszące wydobyciu i produkcji.

Naukowcy z MIT opracowali materiał na akumulatory, który może zapewnić bardziej ekologiczny sposób zasilania pojazdów elektrycznych. Nowa koncepcja akumulatorów litowo-jonowych obejmuje katodę wykonaną z materiałów organicznych zamiast kobaltu lub niklu, innego metalu często używanego jako surowiec do akumulatorów litowo-jonowych.

Naukowcy z MIT wykazali, że wynalezioną przez nich katodę można wyprodukować znacznie taniej niż akumulatory zawierające kobalt. Jednocześnie może przewodzić prąd z tą samą prędkością, co jego kobaltowe odpowiedniki. Naukowcy twierdzą, że nowa bateria ma również porównywalną pojemność i może ładować się szybciej.

Starszy autor projektu, profesor Mircea Dinca, powiedział, że nowa technologia będzie w stanie konkurować z istniejącymi i może znacznie obniżyć koszty i problemy środowiskowe związane z wydobyciem surowców.

Większość pojazdów elektrycznych jest zasilana akumulatorami litowo-jonowymi, czyli akumulatorami, które ładują się, gdy jony litu przepływają z dodatnio naładowanej elektrody, zwanej katodą, do ujemnie naładowanej, zwanej anodą. W większości akumulatorów litowo-jonowych katoda zawiera kobalt, metal zapewniający wysoką stabilność i gęstość energii.

Kobalt ma jednak istotne wady. Metal jest rzadki, jego cena może ulegać gwałtownym wahaniom, a większość światowych złóż kobaltu zlokalizowana jest w krajach niestabilnych politycznie. Wydobywanie tego metalu z rudy wiąże się z niebezpiecznymi warunkami pracy, a toksyczne odpady zanieczyszczają ziemię, powietrze i wodę wokół kopalń.

Profesor Dinke stwierdził, że akumulatory kobaltowe mogą magazynować dużo energii i ogólnie zadowalają konsumentów pod względem wydajności. Jednak biorąc pod uwagę wszystkie wymienione powyżej problemy, wraz z rosnącą liczbą pojazdów elektrycznych, z pewnością będą one droższe.

Ze względu na problemy związane z kobaltem różni naukowcy poświęcili wiele badań, próbując zidentyfikować alternatywne surowce do produkcji akumulatorów. Jednym z takich materiałów jest fosforan litowo-żelazowy (LFP). Część firm motoryzacyjnych już próbuje zastosować go w pojazdach elektrycznych. Jednak pomimo wszystkich uznanych praktycznych zalet LFP, gęstość energii podczas jego stosowania jest tylko o połowę mniejsza niż gęstość charakterystyczna dla akumulatorów kobaltowych i niklowych.

Materiały organiczne są również atrakcyjne, ale do tej pory większość z nich nie miała akceptowalnej przewodności elektrycznej, a pod względem pojemności akumulatorów i żywotności pozostawały w tyle za akumulatorami zawierającymi kobalt. Problemy z przewodnością takich materiałów rozwiązuje się zazwyczaj mieszając je z w przybliżeniu równymi objętościami spoiw w postaci polimerów, ale te ostatnie dodatkowo zmniejszają pojemność akumulatora.

Około sześć lat temu laboratorium Dinke rozpoczęło prace nad projektem finansowanym przez Lamborghini. Celem badaczy było opracowanie organicznego akumulatora odpowiedniego do pojazdów elektrycznych. Eksperymentując z materiałami porowatymi, częściowo organicznymi i częściowo nieorganicznymi, Dinke i jego współpracownicy zdali sobie sprawę, że stworzyli całkowicie organiczny materiał, który okazał się stabilnym przewodnikiem.

Nowy materiał składa się z wielu warstw małej cząsteczki organicznej bis-tetraaminobenzochinonu (TAQ), która zawiera trzy skondensowane sześciokątne pierścienie. Warstwy tworzą strukturę przypominającą grafit. Wewnątrz cząsteczek znajdują się grupy chemiczne zwane chinonami, które stają się zbiornikami elektronów. Istnieją również aminy, które sprzyjają tworzeniu silnych wiązań wodorowych.

To właśnie dzięki wiązaniom wodorowym materiał okazał się bardzo stabilny i stabilny pod względem rozpuszczalności. Nierozpuszczalność jest ważna, ponieważ zapobiega rozpuszczaniu się materiału w elektrolicie, jak ma to miejsce w przypadku wielu organicznych materiałów akumulatorowych, co wydłuża żywotność.

Dinke wyjaśnił, że często substancje organiczne rozpuszczają się w elektrolicie akumulatora i przemieszczają się na drugą stronę, zasadniczo powodując zwarcie, ale jeśli osięgnie się maksymalną nierozpuszczalność, tak się nie stanie. Natomiast przy zastosowaniu TAQ akumulator wytrzyma ponad 2000 cykli ładowania i rozładowania przy minimalnej degradacji.

Testy nowego materiału wykazały, że przewodność i pojemność takiego akumulatora są porównywalne z akumulatorami zawierającymi kobalt. Co więcej, akumulatory z katodą TAQ można ładować i rozładowywać szybciej niż istniejące alternatywy, co pomoże przyspieszyć działanie.

Aby ustabilizować materiał organiczny i zwiększyć jego zdolność przylegania do miedzianego lub aluminiowego kolektora prądu, naukowcy dodali celulozę i gumę jako wypełniacze. Zanieczyszczenia stanowią mniej niż 0,1 całkowitego materiału kompozytowego katody, więc zmniejszają pojemność tylko w niewielkim stopniu. Wypełniacze zwiększają również żywotność katody, ponieważ zapobiegają jej pękaniu, gdy jony litu dostaną się do katody podczas ładowania.

Głównymi komponentami do produkcji katod nowego typu są prekursory chinonów i amin, które są dostępne na rynku, gdyż są produkowane w dużych ilościach przez przemysł chemiczny. Według obliczeń twórców nowej katody koszty finansowe akumulatorów organicznych stanowią od jednej trzeciej do połowy kosztu analogów kobaltu.

Lamborghini uzyskało już licencję na tę technologię. Tymczasem laboratorium Dinke nadal poszukuje alternatyw. Rozważają na przykład zastąpienie litu sodem lub magnezem, które są tańsze i powszechniejsze.