Titanij za bolju natrij-ionsku bateriju

Krajem 18. stoljeća dvojica su se francuskih kemičara, Louis Joseph Proust i Claude Louis Berthollet, upustila u veliku raspravu tema koje je bilo pitanje spajaju li se kemijski elementi u stalnim ili promjenjivim masenim omjerima. Proust je tvrdio prvo, Berthollet drugo, pa je, razumljivo, njihova diskusija dugo trajala i bila je, važno je napomenuti, sasvim neslična raspravama kakve su se nekoć vodile u grčkim filozofskim školama i na skolastičkim katedrama, a danas po internetskim forumima.

Prvi bi kemičar napravio pokus, kemijsku analizu, kojim je dokazivao jedno, a onda je drugi kemičar napravio drugi pokus kojim je dokazivao drugo, sve dok se na kraju nije iskristalizirala istina: kemijski se elementi spajaju u stalnim masenim omjerima. To je bilo važno otkriće jer je dovelo do atomske teorije. Danas se uči već u osnovnoj školi – pod imenom Proustovog zakona. No to nije kraj priče.

Danas znamo da postoje i kemijski spojevi, bolje rečeno čiste tvari, u kojima maseni omjer elemenata može varirati. Te se tvari, u slavu drugog kemičara iz naše priče, kadšto zovu bertolidni spojevi. Takve su tvari primjerice minerali, no i umjetni materijali čudnih formula poput Na0,67Mn0,8Ni0,1Co0,1O2. Zašto navodim baš tu formulu? Navodim je zato jer je to upravo formula tvari koja bi mogla postati temeljem elektrode natrij-ionske baterije.

Riječ je o znanstvenom radu kineskih znanstvenika „Improvement of cyclic stability of Na0,67Mn0,8Ni0,1Co0,1O2 via suppresing lattice variation (Poboljšanje cikličke stabilnosti Na0,67Mn0,8Ni0,1Co0,1O2 smanjivanjem varijacije parametara kristalne rešetke)“, objavljenom u lipnju ove godine u časopisu Chinese Physical Letters. Primanjem ili otpuštanjem kationa (Li+ ili Na+) elekroda litij-ionske ili natrij-ionske baterije se naime mrvi, jer se mijenjaju razmaci između slojeva atoma i iona u kristalu. To posebice vrijedi za natrij-ionsku bateriju, jer je ion natrija za trećinu veći od iona litija: ionski radijus prvog iznosi 166, a drugog 122 pm. Zbog toga natrij-ionske baterije mogu izdržati manji broj ciklusa punjenja i pražnjenja, pa je to glavi razlog zašto ih još nema na tržištu. Natrij se može lako dobiti iz obične soli (NaCl), dok je za dobivanje litija potrebno otvarati rudnike na rijetkim mjestima nalaza litijeve rude.

„Poboljšanje cikličke stabilnosti“, koje su postigli kineski znanstvenici, temelji se na pretvaranju njihove elektrode grozomorne formule u elektrodu još grozomornije formule, takve formule da se ne može ni napisati – jer riječ je o tipičnom bertolidnom spoju. Elektrodnoj tvari, miješanom oksidu natrija, mangana, nikla i kobalta (nazovimo je tako), može se dodati više ili manje titanija u oksidacijskom stanju IV (Ti4+), koji će potom zamijeniti atome prijelaznih (tranzicijskih) metala (Tm) u kristalnoj rešetki. (Formula rečenog elektrodnog materijala može se napisati kao Na0,67TmO2, jer je zbroj stehiometrijskih koeficijenata prijelaznih metala, mangana, nikla i kobalta, 0,8 + 0,1 + 0,1 = 1). Zahvaljujući tome, kristalna će se rešetka vezivanjem natrija manje deformirati i, najvažnije, sve će ostati u domeni elastične deformacije. Neće dakle doći, teoretski, do mrvljenja elektrode.

Znanstvenicima je još preostalo da pronađu pravi dodatak titanija. Pokazalo se da se najbolji rezultati postižu dodatkom 2 % titanija (Na811-2%Ti). Uz taj dodatak kristalna os c se vezivanjem natrija produžuje za 79 pm, što je 38 % manje od produživanja osi (127 pm) nemodificirane elektrodne tvari (Na811).

I to bi bilo to. Tako kažu kemija i kristalografija. A što kaže elektrokemija (elektrotehnika)?

Od novog su materijala kineski znanstvenici napravili bateriju, a potom je testirali. Kapacitet elektrode načinjene od Na811-2%Ti iznosio je 91,2 Ah/kg (mAh/g), a to je 1,86 puta više od kapaciteta izvorne elektrode od Na811. No, još važnije, baterija je očuvala 86% kapaciteta nakon 200 ciklusa punjenja i pražnjenja. Usto, analiza nije mogla pronaći nikakve deformacije na površini elektrode.

Znanstvenici se nadaju da će razvojem natrij-ionskih baterija postići da se one približe po kapacitetu litij-ionskim baterijama, a po cijeni olovnim akumulatorima. Kažem „približe“ jer će se u litiju, zbog njegove kemijske naravi, moći uvijek uskladištiti više energije nego u natriju, a i olovo je – premda rjeđe – ipak jeftinije od natrija.

No dolaze nova vremena, vremena obnovljivih izvora energije i renesanse električnog pogona. U tim novim vremenima bit će mjesta za sve, i za litij-ionske i za natrij-ionske baterije, za vodik i gorivne ćelije, za dobivanje električne energije iz zračnih baterija temeljenima na reakciji oksidacije (oksigenacije) aluminija i cinka. Stoga treba pozdraviti svako novo postignuće na tom području.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.