Naujienos ir renginiai

 

Ličio jonų baterija, tiksliau būtų sakyti elementas ar elementų baterija, tai - technologija, kuri, pasak Nobelio premijos komiteto, padarė pasaulį “pakartotinai įkraunamą”. Tai negrįžtamai pakeitė mūsų gyvenimą, nes jis tapo belaidis ir nešiojamas. Su šiomis baterijomis susiduriame kasdien, dažnai apie tai nesusimąstydami ir to nebepastebėdami. Daugelis iš mūsų, net keletą jų nešiojamės kartu su savimi kiekvieną minutę ir be jų jau nebeįsivaizduotumėme savo aplinkos ir kasdienybės. Jos maitina praktiškai visus mūsų nešiojamus elektroninius prietaisus, įrankius ir įrenginius (išmaniuosius laikrodžius, telefonus, kompiuterius, dantų šepetėlius, e-paspirtukus ir t.t.), taip pat sparčiai plečiasi į tokias sritis kaip elektromobiliai ir tansportas ar atsinaujinančios energijos (saulės ir vėjo) saugojimas. Kuo gi ypatingas šių metų laureatų indėlis į šią sritį? 

 

Viskas prasidėjo 1973-aisias metais, kilus vadinamajai Artimųjų Rytų naftos krizei, kuomet daugelis naftą eksportuojančių artimųjų rytų šalių už paramą Izraeliui Yom Kippur’o kare paskelbė naftos embargą Vakarų pasaulio šalims (JAV, Japonijai, JK  ir t.t.). Tuomet pirmą kartą ne tik JAV vadovai, bet ir plačioji visuomenė susidūrė su energijos trūkumu ir iš karto suvokė importuojamos energijos netvarumą bei su tuo susijusias problemas. Kaip tik tuo metu, tiek JAV vyriausybė, tiek privačios korporacijos pradėjo intensyviai investuoti į energijos sistemų tyrimus. Vienoje didžiausių pasaulio korporacijų Exxon (JAV) tuo metu dirbęs M. S. Whittingham’as pradėjo tyrinėti vadinamuosius sluoksninius junginius (layered compounds), į kuriuos būtų galima įterpti kitus objektus, pvz., metalų jonus. Taip buvo atrastas pirmasis junginys - titano disulfidas (TiS₂), į kurį galima elektrochemiškai (t.y. naudojantis elektros srove) įterpti ličio jonus. Litis pasirinktas neatsitiktinai: visų pirma, tai - vienas mažiausių jonų, galintis lengviau už kitus įlįsti į kitas struktūras, antra, tai - lengviausias metalas, galintis saugoti didžiausią krūvį masės vienetui. Taigi M. S. Whittingham’as eksperimentuodamas su šiais junginiais pirmasis atrado pagrindinį įterpimo (intercalation) principą, kuriuo remiasi ir dauguma šiandienos baterijų medžiagų.  Deja, jo baterija buvo labai nestabili ir dažnai labai greitai ne tik nustodavo veikti, bet ir savaime užsiliepsnodavo. 

 

1979-aisiais Oxfordo Universiteto (JK) profesorius J. B. Goodenough kartu su bendradarbiu K. Mizushima, susidomėjo kitu sluoksniniu junginiu - ličio kobalto oksidu (LiCoO₂), kuris pasirodė esąs ne tik labai stabilus elektrocheminiam ličio jonų “įterpimui” ir “ištraukimui” iš kristalinės gardelės, bet ir turėjo labai aukštą elektrodo potencialą, tinkamą aukštos įtampos elementams gaminti. Po kelerių metų, tas pats J. B. Goodenough kartu su bendradarbiu M. M. Thackeray, bei J. Dahn iš Kanados atrado keletą kitų pereinamųjų metalų oksidų, galinčių grįžtamai įterpti Li jonus ir pasižyminčių kitomis tinkamomis savybėmis - LiMn₂O₄ ir LiNiO₂. Maišant šiuos oksidus skirtingais santykiais buvo gautos įvairios LiNi_xMn_yCo_zO₂ tipo kompozicijos, kurios yra daugumos šiandienos Li jonų baterijų teigiamų elektrodų aktyvioji medžiaga ir pagrindas.

 

Tačiau, visų to meto ličio jonų elementų, kito - neigiamo elektrodo pagrindas buvo ličio metalas. Metalinis litis elektrocheminės reakcijos metu nusėda netolygiai ir nuolat įkraunant ir vėl iškraunant elementą galiausiai suformuoja adatos formos struktūras,  vadinamas dendritais. Būtent šie dendritai anksčiau ar vėliau užtrumpina elementą ir priverčia jį stipriai įkaisti arba net galiausiai užsiliepsnoti. Šiai problemai išspręsti reikėjo būtinai surasti kitą tinkamą medžiagą, kuri turėtų kuo žemesnį elektrodo potencialą ir galėtų grįžtamai įterpti ličio jonus. Apie 1980-uosius R. Yazami, J.O. Besenhard ir kiti pradėjo eksperimentuoti su įvairiais angliniais junginiais,  taip pat turinčiais sluoksninę struktūrą, o šių metų laureatas A. Yoshino, dirbdamas Asahi Kasei korporacijoje, buvo vienas iš tų, kurie suprato, kad paprasčiausias grafitas tam tikruose organiniuose tirpikliuose yra ideali struktūra saugoti ličio jonus neigiamame elektrode. Būtent A. Yoshino su Asahi Kasei korporacijos darbuotojais pirmieji galiausiai sujungė visas tinkamas dalis į vientisą elementą ir gana greitai kartu su korporacija Sony suvokė šios technologijos komercinį potencialą, o 1991-aisias jau pristatė rinkai pirmąją šiuolaikinę plataus vartojimo ličio jonų bateriją.  

 

 

Įdomu, kad šiandien kaip niekada daug kalbama tiek apie ličio jonų baterijas, tiek apie kitas energijos konversijos ir saugojimo sistemas, jų svarbą ir ateitį. Pagal mokslinės produkcijos (žurnalų, straipsnių, patentų) kiekį tai - neabejotinai viena karščiausių ir sparčiausiai augančių mokslo ir technologijos sričių. Be to, visame pasaulyje juntamas ypač didelis vyriausybių ir verslo susidomėjimas šia sritimi, planuojamos daugiamilijardinės investicijų programos, skirtos sukurti naujas vertės grandines, gamybinius pranašumus bei ciklines ekonomijas. Spėjama, kad bent jau ateinantį dešimtmetį ličio jonų baterijos liks absoliučiai lyderiaujančia ir greičiausiai augančia energijos saugojimo technologija. Na, o pagrindinės šios technologijos vystymo kryptys, mūsų manymu, greičiausiai bus reto ir brangaus metalo - kobalto kiekio mažinimas arba visiškas atsisakymas elektrodų gamyboje, bei ypač greito (ultra/super-charging) įkrovimo galimybių vystymas, nes šiandienos rinka vis labiau reikalauja prietaisų ir elektromobilių, kuriuos būtų galima įkrauti per minutes, o ne per valandas. 

 

Šiuo metu FTMC Energijos elektrocheminės konversijos laboratorijoje vystomos kiek kitokios - natrio jonų baterijų technologijos, kuriose stengiamasi atsisakyti ne tik kobalto, bet net ir pačio ličio, kurio kiekis Žemėje irgi yra gana ribotas. Tačiau ir šie darbai labai tampriai susiję su šiuometiniais Nobelio chemijos premijos laureatais. Mūsų šiuo metu tiramas NASICON-tipo (Na_xMe_y(PO₄)₃, kur Me - pereinamasis metalas pvz.  Ti, V, Mn, Fe ir t.t.) medžiagas 1976-aisiais atrado tas pats J. B. Goodenough’as, o nemažai tyrimų susiję su naujausiais jo grupės pasiekimais.

 

Komentarą paruošė: dr. Linas Vilčiauskas, FTMC Cheminės inžinerijos ir technologijų skyriaus vyriausiasis mokslo darbuotojas

 

Įdomus faktas

Šių tyrimų kelias į Lietuvą  ėjo per tą patį Teksaso Universitetą Austine, kur 97-erių prof. Goodenough’as  iki šiol dirba profesoriumi. Šiame universitete FTMC Energijos elektrocheminės konversijos laboratorijos mokslo darbuotoja Sh. Stauffer atliko dalį savo doktorantūros tyrimų tiesiogiai bendradarbiaudama su laureatu [Maowen Xu, Penghao Xiao, Shannon Stauffer, Jie Song, Graeme Henkelman, and John B. Goodenough. "Theoretical and experimental study of vanadium-based fluorophosphate cathodes for rechargeable batteries." Chemistry of Materials 26, 3089-3097 (2014).), o L. Vilčiauskas su šia neeiline mokslo pasaulio asmenybe turėjo garbės dirbti tame pačiame Teksaso universiteto Cockrell’o inžinerijos fakultete.

Dr. Lino Vilčiausko komentaras - „Info dienoje" (2019-10-09 nuo 2:09 val.)