Zdá sa, že otrasy v dodávateľskom reťazci sú všade, od polovodičov až po celý rad komodít. Vzhľadom na veľké výkyvy cien komodít a prírodných zdrojov v dôsledku geopolitických udalostí a rastúci dopyt po elektromobiloch by sa do roku 2025 mohol na svete objaviť nedostatok lítia (podľa hodnotenia Medzinárodnej agentúry pre energiu). Vzhľadom na rastúci dopyt po lítiu sa výskumníci z akademickej obce a priemyslu zaoberajú alternatívnymi materiálmi pre batérie, aby tieto problémy prekonali.

Jeden z najzaujímavejších výsledkov priniesli výskumníci zo švajčiarskych federálnych laboratórií pre materiálovú vedu a technológiu (Empa). Výsledky výskumu boli uverejnené v nedávnom vydaní časopisu Nature. Oznámili inovatívny materiál na batérie aktivovaný vodou, ktorý sa dá vytlačiť na list papiera. Teoreticky by sa tento elektrochemicky aktívny materiál dal vytlačiť na akýkoľvek podkladový materiál, napríklad na pružný izolant, ako je plast.

Hoci nikto nenavrhuje použitie papierových batérií pre elektromobily, materiál môže mať napätie až 1,2 V v jednom článku (porovnateľný s chemickými batériami Ni-MH). Preto by sa stohy tohto typu materiálu mohli používať ako malé jednorazové batérie pre drobnú elektroniku alebo iné malé zariadenia. Nie je to zázračný liek na nedostatok lítia, ale tieto alternatívne materiály by mohli umožniť presmerovanie lítia do oveľa dôležitejších oblastí, ako sú elektrické vozidlá.

Materiál batérie na báze atramentu

Materiál, ktorý vyvinuli výskumníci z Empa, je vlastne vrstvený materiál na báze uhlíka, ktorý zahŕňa grafit, sadze, zinok ako anódu a soľ. Chemický materiál na báze uhlíka a soli možno aktivovať použitím vody, ako je opísané ďalej. Vrstvová štruktúra tohto materiálu batérie je znázornená na nasledujúcom obrázku.

Vrchná a spodná vrstva grafitu + sadze slúžia ako aktívne vrstvy, ktoré sa podieľajú na elektrochemickej reakcii batérie. Keď sú pokryté soľou a vystavené pôsobeniu vody, výsledná elektrochemická reakcia môže spôsobiť tok prúdu cez pripojený obvod.

Tento konkrétny objav nie je životaschopný systém, je to len demonštrácia novej chémie, ktorá však produkuje dostatok energie na prevádzku malej elektroniky. Výstupný výkon kompatibilný s Ni-MH a alkalickými batériami ukazuje, že materiál je z elektrochemického hľadiska životaschopný.

Je to teda náhrada za štandardné chemické batérie, ktoré všetci poznáme? Pravdepodobne nie, ale uhlíkové materiály sa využívajú v chemických technológiách na báze Li ako anódový materiál, ktorý poskytuje niekoľko výhod pre elektrifikované systémy.

Alternatívne materiály sú atraktívne, ale je to ešte dlhá cesta k úspechu

Hoci alternatívne materiály pre batérie, ktoré majú úplne nahradiť existujúce chemické materiály (vrátane lítia), sú predmetom prebiehajúceho výskumu, táto cesta má dlhú dráhu a cesta ku komercializácii je plná rizík. Preto sa odvetvie materiálov pre batérie sústredilo na zlepšenia konštrukcie batérií vrátane použitia podobných materiálov, ktoré zlepšujú prevádzku batérií bez zmeny chemického zloženia batérií.

Prečo by sme sa mali zaujímať o zmeny chemického zloženia batérií? Z hľadiska udržateľnosti a zabezpečenia elektrifikácie je možné uspokojiť dopyt, nájdenie alternatívneho chemického zloženia, ktoré bude porovnateľné s lítiom, je atraktívnou cestou. Problém nastáva pri komercializácii: Chemické technológie na báze lítia a iných kovov sú dobre známe a z hľadiska bezpečnosti už boli kvalifikované. To spôsobuje, že budovanie nad základnými chemickými technológiami na báze Li je atraktívnou možnosťou z hľadiska rizika a zodpovednosti. Ak sa vyvinie nová chémia a existuje cesta ku komercializácii, nová chémia bude musieť preukázať určitú úroveň regulačného súladu, ako aj spoľahlivosť pre zákazníkov.

Z týchto dôvodov sa vývojári materiálov pre batérie v poslednom čase zameriavajú na používanie uhlíkových materiálov na postupné zlepšovanie existujúcich konštrukcií batérií. Konštruktéri batérií môžu pri týchto nových konštrukciách batérií využiť existujúce poznatky o výrobe, testovaní a kontrole kvality, pričom stále získavajú výhody chemických materiálov na báze uhlíka.

Medzi hlavné výhody materiálov na báze uhlíka používaných v existujúcich chemických konštrukciách batérií patria:

Výhody materiálov na báze uhlíka

• Anóda s nižším vnútorným odporom
• Pre lítium-iónové batérie: väčšia kapacita Li-on batérie
• Vysoká tepelná vodivosť

Jedným z hlavných materiálov na báze uhlíka, ktoré sa vyvíjajú na zlepšenie lítium-iónových batérií, je funkcionalizovaný grafit, ktorý sa dá ľahko vyrobiť a použiť na výrobu anód pre lítium-iónové batériové systémy. Ďalším materiálom na báze uhlíka sú uhlíkové nanorúrky, ktoré ťažia z vysokého balistického transportu náboja v axiálnom smere. Pri zabudovaní do batériových systémov tieto materiály ponúkajú vyššie rýchlosti nabíjania / vybíjania a kapacity v už aj tak spoľahlivej batériovej chémii.