Tyrėjai iš „The Hong Kong University of Science and Technology“ sukūrė naujo tipo kalcio jonų bateriją, galinčią mesti iššūkį ličio jonų technologijai, nes ji pasižymi didesniu stabilumu ir geresnėmis eksploatacinėmis savybėmi
Mokslininkų komanda sukūrė sistemą, paremtą kvazikietomis elektrolitinėmis medžiagomis, kurios sudarytos iš redokso aktyvių kovalentinių organinių gardelių (angl. covalent organic frameworks, COF).
Kalcio jonų baterijos laikomos perspektyvia alternatyva ličio jonų baterijoms, nes kalcis yra gausi ir nebrangi žaliava. Be to, tokios sistemos pasižymi panašiu elektrocheminiu langu kaip ir ličio jonų baterijos. Vis dėlto praktinį jų pritaikymą iki šiol ribojo prastas jonų pernašos greitis ir nestabilus cikliškumas.
Ličio jonų baterijos šiuo metu dominuoja rinkoje – jos naudojamos elektromobiliuose, elektros tinklų energijos kaupimo sistemose ir buitinėje elektronikoje. Tačiau ličio ištekliai yra riboti, o tolesnis energijos tankio didinimas tampa vis sudėtingesnis. Dėl to suintensyvėjo paieškos naujos kartos baterijų chemijoms.
Kalcio jonų sistemoms tenka įveikti esminį iššūkį – užtikrinti efektyvų Ca2+ jonų judėjimą per elektrolitą ir kartu išlaikyti struktūrinį stabilumą per daugelį įkrovimo ir iškrovimo ciklų. Jei jonų pernaša lėta, baterijos veikimas prastėja ir spartėja degradacija.
Jonų „butelio kaklelio“ problema
„The Hong Kong University of Science and Technology“ komanda šią problemą sprendė kurdama kovalentines organines gardeles, turinčias daug karbonilo grupių ir galinčias veikti kaip kvazikieti elektrolitai. Tokios medžiagos sudaro kryptingus kanalus, kuriais kalcio jonai lengvai migruoja per struktūrą.
Pasak tyrėjų, naujieji elektrolitai pasiekė 0,46 mS·cm–1 joninį laidumą ir Ca2+ pernašos skaičių, viršijantį 0,53 kambario temperatūroje. Eksperimentai ir modeliavimo tyrimai parodė, kad kalcio jonai sparčiai juda išilgai išsidėsčiusias karbonilo grupes tvarkingose COF gardelėse.
Tokia medžiagų konstrukcija leido surinkti pilną kalcio jonų baterijos elementą. Sistema pasiekė 155,9 mAh·g–1 grįžtamąją specifinę talpą esant 0,15 A·g–1 srovei. Be to, po 1 000 ciklų, kai srovė siekė 1 A·g–1, išsaugota daugiau kaip 74,6 % pradinės talpos.
Šie rezultatai rodo, kad technologija artėja prie praktinio pritaikymo, ypač tose srityse, kur svarbiausia tvarumas ir kaina.
„Mūsų tyrimas pabrėžia transformacinį kalcio jonų baterijų potencialą kaip tvarios alternatyvos ličio jonų technologijai. Pasinaudodami unikaliomis redokso kovalentinių organinių gardelių savybėmis, žengėme reikšmingą žingsnį kuriant didelio našumo energijos kaupimo sprendimus, galinčius atitikti žalesnės ateities poreikius“, – teigė prof. Yoonseob Kim, „The Hong Kong University of Science and Technology“ Cheminės ir biologinės inžinerijos katedros docentas.
Žingsnis link alternatyvų ličiui
Šis pasiekimas taikosi į vieną didžiausių kalcio jonų sistemų trūkumų – lėtą katijonų pernašą. Pagerinus jonų judrumą ir kartu išlaikius struktūrinį stabilumą, pavyko padidinti tiek efektyvumą, tiek ilgaamžiškumą.
Kvazikieti elektrolitai taip pat yra saugesni už skystuosius: sumažėja nuotėkio rizika, pagerėja mechaninis stabilumas. Dėl to ši technologija gali būti patraukli elektromobiliams ir didelio masto tinklo energijos kaupimo sistemoms, kuriose itin svarbus saugumas ir ilgas tarnavimo laikas.
Tyrimai atlikti bendradarbiaujant su „Shanghai Jiao Tong University“ mokslininkais. Nors dar reikia papildomų darbų siekiant išplėsti technologijos mastą ir patvirtinti jos ilgalaikį komercinį gyvybingumą, rezultatai rodo, kad kalcio jonų baterijos gali priartėti prie konkurencingų našumo rodiklių.
Globaliai spartėjant energetikos transformacijai, vis daugiau dėmesio skiriama baterijų chemijoms, kurių pagrindas nėra ličis. Tokie pasiekimai leidžia manyti, kad kalcio pagrindu sukurtos sistemos ateityje gali tapti svarbia energijos kaupimo ekosistemos dalimi.
