Novi reciklirajući materijal za baterije električnih vozila

Današnji procvat električnih vozila sutrašnja je planina elektroničkog otpada. I dok se ulažu brojni napori za poboljšanje recikliranja baterija, mnoge baterije za električna vozila i dalje završavaju na odlagalištima otpada.

Istraživački tim s američkog tehnološkog instituta MIT želi pomoći u promjeni te situacije novom vrstom samosastavljajućeg materijala za baterije koji se brzo raspada kada se uroni u jednostavnu organsku tekućinu. U novom radu objavljenom u časopisu Nature Chemistry, istraživači su pokazali da materijal može djelovati kao elektrolit u funkcionalnoj baterijskoj ćeliji u čvrstom stanju, a zatim se vratiti u svoje izvorne molekularne komponente za nekoliko minuta.

Ovaj pristup nudi alternativu usitnjavanju baterije u miješanu, teško reciklirajuću masu. Umjesto toga, budući da elektrolit služi kao vezivni sloj baterije, kada se novi materijal vrati u svoj izvorni molekularni oblik, cijela se baterija rastavlja kako bi se ubrzao proces recikliranja.

„Do sada smo se u industriji baterija usredotočili na visokoučinkovite materijale i dizajne, a tek kasnije pokušali shvatiti kako reciklirati baterije izrađene od složenih struktura i teško reciklirajućih materijala“, kaže prvi autor rada Yukio Cho, doktor znanosti. „Naš je pristup započeti s lako reciklabilnim materijalima i shvatiti kako ih učiniti kompatibilnima s baterijama. Dizajniranje baterija za recikliranje od samog početka novi je pristup.“

Kako bi pojednostavili proces recikliranja, istraživači su odlučili napraviti održiviji elektrolit. Za to su se okrenuli klasi molekula koje se same sastavljaju u vodi, nazvanim aramidni amfifili (AA), čije kemijske strukture i stabilnost oponašaju one Kevlara. Istraživači su nadalje dizajnirali AA tako da sadrže polietilen glikol (PEG), koji može provoditi litijeve ione, na jednom kraju svake molekule. Kada su molekule izložene vodi, spontano formiraju nanotrake s ion-provodljivim PEG površinama i bazama koje oponašaju robusnost Kevlara putem čvrstih vodikovih veza. Rezultat je mehanički stabilna struktura nanotraka koja provodi ione preko svoje površine.

„Materijal se sastoji od dva dijela“, objašnjava Cho. „Prvi dio je ovaj fleksibilni lanac koji nam daje gnijezdo, ili domaćin, za litijeve ione da skaču okolo. Drugi dio je ova jaka organska komponenta materijala koja se koristi u kevlaru, materijalu otpornom na metke. To čini cijelu strukturu stabilnom.“

Kada se dodaju u vodu, nanotrake se same sastavljaju i tvore milijune nanotraka koje se mogu vrućim prešanjem pretvoriti u čvrsti materijal.

„U roku od pet minuta nakon dodavanja u vodu, otopina postaje nalik gelu, što ukazuje na to da se u tekućini formira toliko nanovlakana da se počinju međusobno ispreplitati“, kaže Cho. „Uzbudljivo je to što ovaj materijal možemo proizvoditi u velikim razmjerima zbog samosklapajućeg ponašanja.“

Tim je testirao čvrstoću i žilavost materijala, otkrivši da može izdržati naprezanja povezana s izradom i radom baterije. Također su konstruirali baterijsku ćeliju u čvrstom stanju koja je koristila litijev željezov fosfat za katodu i litijev titanijev oksid kao anodu, oba uobičajena materijala u današnjim baterijama. Nanotrake su uspješno premještale litijeve ione između elektroda, ali nuspojava poznata kao polarizacija ograničila je kretanje litijevih iona u elektrode baterije tijekom brzih razdoblja punjenja i pražnjenja, ometajući njezine performanse u usporedbi s današnjim komercijalnim baterijama zlatnog standarda.

Kad su uronili baterijsku ćeliju u organska otapala, materijal se odmah otopio, a svaki dio baterije otpadao je radi lakšeg recikliranja. Cho je usporedio reakciju materijala sa šećernom vatom uronjenom u vodu.

„Elektrolit drži dvije elektrode baterije zajedno i osigurava litij-ionske putove“, kaže Cho. „Dakle, kada želite reciklirati bateriju, cijeli sloj elektrolita može prirodno otpasti i elektrode možete reciklirati odvojeno.“

Sada istraživači istražuju načine integracije ovih vrsta materijala u postojeće dizajne baterija, kao i implementaciju ideja u nove kemijske sastave baterija.