Inginerii chinezi au anunţat o baterie care poate opera de la -70 la +80 grade Celsius, fără a fi cu stare solidă

Industria bateriilor a fost bulversată la începutul acestui an de lansarea noii baterii cu stare solidă a celor de la Donut Lab, despre care inginerii finlandezi spunea că poate fi încărcată în 5 minute, rezistă 100.000 cicluri, are 400 Wh/kg densitate energetică şi poate opera la un diapazon nemaivăzut de temperaturi, de la -30 a +100 grade Celsius. Parametrii erau atât de incredibili, încât industria a considerat-o imposibilă sau a sugerat că ea ar fi, de fapt, un condensator. Însă în testul de acum două zile, publicat de Donut Lab, aceştia au demonstrat că bateria lor nu e un condensator. Dar e la fel de adevărat că testul lor termic a relevat deopotrivă că bateria poate opera şi la +80, şi la +100 grade Celsius, dar totodată la +100 celula şi-a pierdut vacuumul. Ei bine, pe acest val bulversant din industrie, creat de această nouă baterie cu stare solidă, o echipă de ingineri chinezi de la universitatea Tianjin, condusă de profesorul Xu Yunhua, a anunţat elaborarea unei baterii care poate opera de la -70 la +80 grade Celsius, fără a fi cu stare solidă.

Foto: Echipa de ingineri care a creat noua baterie

Prima întrebare logică şi inevitabilă este cum ar putea o baterie relativ tradiţională, cu electrolit lichid, să-şi păstreze funcţionalitatea la -70 grade Celsius, dacă aproape orice lichid ar îngheţa la această valoare şi ar deveni impermeabil pentru electroni.

Ei bine, se pare că marele secret e în catod, care e format dintr-un nou material organic. Acum o săptămână, noi scriam un articol în care spuneam că evoluţia de mai departe atât a bateriilor cu stare solidă, cât şi a celor convenţionale, nu e neapărat în electrolit, ci în catod, anume acolo ascunzându-se cele mai multe limitări prezente.

În majoritatea bateriilor obişnuite, materialele active din catod sunt anorganice, precum nichelul, cobaltul şi manganul la bateriile litiu-ion NMC şi fosfaţi de fier la LFP. Unii ingineri din industrie experimentează şi cu compoziţii organice, care pot avea molecule configurate mai uşor, dar până acum materiale organice testate nu prea reuşeau să asigure simultan şi capacitate de stocare înaltă, şi putere, parametrii realişti fiind foarte mediocri.

Ceea ce a reuşit să facă efectiv echipa de ingineri chinezi e să „proiecteze” o structură a unui material organic, care ar putea stoca ionii de litiu prin reacţii active de reducere. Faptul că acest material are origine organică îi dă o structură moleculară flexibilă, care o face mai imună la stresul structural în etapa în care ionii de litiu ajung aici şi sunt inseraţi între spaţiile din aceste structuri. Acest proces de ioni de litiu ce ajung în catod se întâmplă în tipul descărcării, când bateria livrează putere electrică, iar ionii de litiu din anod trec în catod, traversând electrolitul dintre anod şi catod. Apoi, la încărcare, aceşti ioni de litiu stocaţi în catod iau calea inversă spre anod şi traversează din nou electrolitul separator, ajungând în cealaltă parte a bateriei.

Structura organică flexibilă a bateriei dă astfel avantajul flexibilităţii, iar forma şi mărimea porilor a fost concepută exact pentru a se potrivi dimensiunilor electronilor de litiu. Această flexibilitate schimbă foarte mult ecuaţia, întrucât aceşti ioni de litiu pot migra mult mai uşor. Iar migrarea mai uşoară a ionilor de litiu permite o putere mai mare a unei baterii. Iar dacă această migrare uşoară poate fi păstrată şi la temperaturi foarte joase sau foarte înalte, atunci bateria îţi păstrează o putere mare şi la aceste temperaturi.

Piedicile de până acum vin şi de la electrolit, dar şi de la catod, care, la temperaturi prea mari, îşi dezintegrează legăturile normale şi bateria nu mai poate avea parametrii iniţiali. Şi inginerii chinezi declară un lucru surprinzător pentru preconcepţiile de până acum — că formarea unui electrolit lichid care să nu îngheţe la temperaturi foarte joase şi să nu degradeze la temperaturi înalte nu e foarte problematică, existând multe căi de a jongla cu punctul de îngheţ şi topire în materiale organice. Ei spun că partea cea mai dificilă vine la păstrarea calităţilor catodului la aceste temperaturi extreme. Iar noul lor catod cu structură organică nu are deloc cristale rigide obişnuite, iar asta îl face excepţional de stabil la un diapazon imens de temperatură. În mod normal, electrozii organici ar suferi de conductivitate redusă, dar aici, întrucât materialul a trecut efectiv printr-un proces de inginerie organică în laborator, el a fost proiectat să aibă căile de difuzie rapidă a litiului, pentru a obţine conductivitatea înaltă dorită. Poate suna complicat, dar e ca şi cum am proiecta o reţea de fulgi de zăpadă, gândind din start că forma lor simetrică va crea căi rapide pe diagonală pentru a transporta ionii de litiu cât mai rapid, fără rezistenţă inutilă.

Odată cu asta, catodul şi-a păstrat o doză de flexibilitate şi la scară mare, iar structura sa l-a făcut inofensiv la stres mecanic precum îndoirea, perforarea sau compresia. Şi calitatea de a flexibil l-a făcut capabil să opereze la un diapazon uriaş de temperatură, de la -70 grade Celsius, până la +80 grade Celsius.

Electrolitul e relativ banal aici, spun chinezii, având doar adiţii pentru a jongla cu punctul de îngheţ mai mic — în rest e foarte similar cu bateriile actuale pe bază LFP sau NMC. Iar în rezultat chinezii au obţinut o baterie care are o densitate energetică decentă de 250 Wh/kg. Dar neglijarea electrolitului nu e neapărat meritată, or, electroliţii obişnuiţi actuali devin nefuncţionali la -70 grade Celsius, iar adăugarea de substanţe care să coboare punctul de îngheţ poate afecta parametrii de bază. Deci cel mai probabil inginerii chinezi au reuşit şi aici să găsească şi pentru electrolit o formulă foarte ingenioasă, care-i permite funcţionarea stabilă la asemenea temperaturi.

Foto: Dimensiunea celulei noii baterii

Noua baterie a trecut deja testele avansate de siguranţă şi şi-a dovedit în laborator parametrii pretinşi, cu rezultatele publicate din start în revista ştiinţifică Nature. Iar la 250 Wh/kg densitatea noii baterii e mai bună decât cea bateriilor LFP pe care le preferă China acum, deci noii parametri n-ar veni în detrimentul densităţii energetice, ci dimpotrivă, ar îmbunătăţi-o.

Şi partea cea mai curioasă e noua baterie reuşeşte efectiv să-şi adjudece un diapazon termic de operare chiar mai bun decât bateria cu stare solidă a finlandezilor de la Donut Lab, nefiind una cu stare solidă, ci efectiv una cu catod realizat din materiale organice.