Jedan od glavnh zadataka naučnika širom sveta poslednjih godina je rad na skladištima velikih količina energija, odnosno baterija koje bi čuvala napravljenu energiju i time doprinele efikasnijoj energetskoj tranziciji. Među brojnim istraživačima je grupa od šest mladih naučnika iz Srbije koja traga za baterijom koja u sebi ne bi sadržala izuzetno toskične, a ujedno i retke materijale poput litijuma ili kobalta. Pod imenom HiSuperBat (Zdravo super baterijo) oni su napravili sistem koji ne sadrži litijum i kobalt već kalcijum ili magnezijum, a koristi se još vodeni elektrolit koji nije zapaljiv i toksičan kao komercijalni organski elektrolit.
Doktorka Milica Vujković, koja rukovodi projektom, navodi da je razvoj takvih baterijskih sistema mogao da bude odlično energetsko rešenje, jer bi se time izbeglo korišćenje skupog i oskudnog litijuma, redukovala cena baterije i povećala bezbednost.
Zato je potraga za novim, jeftinim i bezbednijim materijalima, sposobnim da skladište veliku količinu multivalentnih jona, od velikog značaja i predmet je mnogobrojnih istraživanja u svetu uključujući i projekat HiSuperBat, koji dobio 180.000 evra.
Njihov dvogodišnji projekat, koji se završava na kraju 2022. godine, je jedan od 59 izabranih projekata koji su podržani kroz projekat Promis koji je podržao Fond za nauku Republike Srbije.
„Projekat je fokusiran na razvoj elektrodnih materijala za sledeću generaciju uređaja za skladištenje električne energije, zasnovanih na prirodno zastupljenijim elementima kao što su kalcijum, aluminijum, magnezijum“, kaže za portal N1 Milica Vujković, naučna saradnica na Fakultetu za fizičku hemiju.
Ona ističe da svi mladi stručnjaci poseduju poseduju ekspertizu u sintezi i strukturnom proučavanju mikro/nanomaterijala, elektrohemiji, baterijama i superkondenzatorima, da je projekat dao nova fundamentalna i praktična saznanja u polju skladištenja energije, koja su publikovana u 11 međunarodnih naučnih časopisa i 18 konferencijskih saopštenja. Razvijeni su materijali koji po jedinici mase mogu da skladište veliku količinu multivalentnih jona.
„Sa jedne strane, razvijen je ugljenični materijal kao elektrodni materijal za superkondenzatore novije generacije, koji može da skladišti velike količine aluminijum, magenzijum i kalcijum jona ondosno naleelektrisanja. Konstruisan je superkondenzator na nivou jedne ćelije, sa ugljeničnim elektrodama, dobijene od otpadne biomase (iz industrije vina) i vodenim elektrolitom baziranim na aluminujum pozitivnim jonima, čiji je optimalni radni napon u pogledu dugotrajnog punjenja/pražnjenja 1.5 volt (V), što je za pola volta više od klasičnog vodenog superkondenzatora“, kaže ona.
Ovi rezultati publikovani su u prestižnom elektrohemijskom časopisu Journal of Power Sources, a urađeni su u saradnji sa Crnom Gorom i Slovenijom.
Pored toga, mladi naučnici pokazali su kako se mešanjem aluminjumskih i kalcijumskih jona mogu poboljšati osobine ugljenične katode u pogledu napona i kapaciteta.
Vujović ističe i da je razvijen katodni materijal za baterije na bazi vanadijuma oksida koji može da skladišti veliku količinu kalcijumovih jona, pokazujući veće kapacitete u odnosu na skladištenje naelektrisanja litijumovih jona.
“Spajanjem pomenutog ugljeničnog materijala kao anode, kalcijum vanadijum oksida kao katode i elektrolita na bazi kalcijumove soli, sastavili smo hibridnu ćeliju koja ima optimalni napon od 1,4-1,5 volti (V). Prednost u odnosu na klasične litijum-jonske sisteme je što konstruisana baterijska ćelija ne sadrži litijum i kobalt, a koristi vodeni elektrolit koji nije zapaljiv i toksičan kao komercijalni organski elektrolit”, navodi ona.
Kao nedostatak Vujović navodi manji napon u odnosu na komercijalnu litijum jonsku ćeliju zbog upotrebe vodenog umesto organskog elektrolita.
„Ipak i tako nešto bi moglo da se nadomesti rednim vezivanjem više ćelija što bi proizvelo težu bateriju. Iz tog razloga, njihova potencijalna primena je za sada ograničena na sisteme gde težina i zapremina nisu ograničavajuće a cena igra primarnu ulogu”, kaže naša sagovornica.
Proizvodnja u Srbiji
U istraživanje se ušlo sa idejom da se potencijalna otkrića mogu proizvoditi u Srbiji. Tako je i sada. Milica kaže da konstrusiani ugljenični superkondenzator kao i hibridna ćelija imaju potencijala da se proizvode u Srbiji.
„Njihove performanse su dobijene na nivou ćelije u obliku novčića, što bi omogućilo primenu u nekim svakidašnjim potrebama satovi, igračke, kuhinjske vage, ključevi za auta, digitroni…“, navodi ona.
Međutim, pre nego što bi se to desilo, neophodni su dodatni eksperimenti u pogledu optimizacije performansi ćelije.
„Postoji prostor da se performanse materijala poboljšaju i prevaziđu njihove slabe tačke, pri čemu imamo u vidu nekoliko ideja koje bi mogle da se implementiraju. Nakon završene faze na laboratorijskom nivou, transfer znanja u industrijski sektor bi podrazumevao testiranja u pogledu reproduktivnosti sinteza datih materijala na većoj skali i njihove funkcionalnosti, kao i optimizacije procedure sastavljanja ćelije za masovnije potrebe. Takve baterije bi imale potencijala da zamene olovne akumulatore ili nikal-kadmijumske vodene sisteme, a teoretski govoreći bi imale i potencijal za primenu u velikim stacionarnim sistemima za skladištenje enegije uvezane sa obnovljivim izvorima, gde su cena i bezbednost značajnije od mase i energije“, ističe Vujović.
Savremena svetska istraživanja
Savremena svetska istraživanja su usmerena na razvoj različitih tipova baterija, baziranih na različitoj hemiji. Za razvoj svih tipova baterija važno je da se mogu koristiti u različitim primenama, jer svaki tip baterije poseduje određene prednosti i mane. Milica, s druge strane ističe da se nikada unapred ne zna šta se istraživanjem može otkriti.
„Na tržištu za sada uglavnom dominiraju Litijum jonske baterije na bazi ugljenika kao anode, organskog elektrolita koji sadrži litijumove jone, i litijjum-nikal-kobalt-mangan oksida (NMC) kao katode. Međutim, svesni smo činjenice da je litijum ograničen resurs i da njegove rezerve neće moći da zadovolje buduće potrebe galopirajuće industrije električnih automobila“, ističe ona.
Zbog toga smatra da je razvoj alternativnih sistema neohodan.
Za sada svetska ulaganja su velikim delom usmerena na razvoj baterijskih sistema koje teorijski imaju veliku energiju kao što su metal-vazduh, metal-sumpor i baterije u čvrstom stanju (solid-state).
„Kada koriste metalni litijum kao anodu, ove baterije imaju najveći potencijal sa energetskog aspekta ali ih prate ekološki problemi. Zbog toga se istraživanja više usmeravaju ka razvoju istih sistema sa alternativnim metalnom anodom umesto litijuma poput natrijuma, kalcijuma, magnezijuma, gvožđa, cinka, aluminijuma (Na, Ca, Mg, Fe, Zn, Al) koji bi bili mnogo bezbedniji i isplativiji“, kaže ona.
Pojedine svetske kompanije su najavile i plasiranje neke od ovih prototipova na tržište kao što su natrijum sumporne (Na-S) i gvožđe vazduh (Fe-vazduh) baterije. Pored pomenutih metalnih baterija, natrijum jonske baterije imaju takođe veliki potencijal da zamene litijum jonske pošto im je slična hemija, a umesto litijuma se koristi natrijum. Neki od tipova pomenutih baterija mogu da sadrže i vodeni elektrolit koji im omogućava da budu “idealne“ sa ekološkog i ekonomskog aspekta, ali manji napon im ograničava primenu za električne automobile dok su perspektivne za potrebe funkcionisanja električne mreže.
„Ubeđena sam da će se situacija i u tom polju značajno menjati. Što se tiče našeg istraživanja, u toku projekta smo pored razvoja ugljenika i vanadijum oksida, započeli i razvoj novih tipova, katoda za natrijum jonsku bateriju, bazirane na natrijumu i gvožđu. Zbog toga će dalji pravac našeg istraživanja, pored unapređenja razvijenog multivalentnog modela, biti usmeren i na razvoj natrijum jonskog sistema, sa ciljem da se dobije što bolji model ne samo u pogledu energije, već i u pogledu cene i ekološke prihvatljivosti. Naravno očekujem da ovaj vid istraživanja bude prepoznat i kroz buduće nacionalne i međunarodne pozive na koje se prijavimo“, zaključuje Milica Vujović.
E2 portal (N1)
