Titaniul reprezintă viitorul pentru bateriile litiu-ion: autonomie mai mare, timp scurt de încărcare, fiabilitate crescută

O parte dintre cercetătorii din domeniul bateriilor sunt de părere că, în maximum 5 ani, bateriile litiu-ion vor evolua la cote inimaginabile, totul datorită utilizării titaniului în componența lor. Iată la ce avantaje ar trebui să ne așteptăm.

Bateriile litiu-ion reprezintă momentan cea mai bună soluție pentru dispozitivele electronice, fie că vorbim de laptopuri și smartphone-uri ori de mașini electrice. Totuși, au și destule neajunsuri, printre care cele mai importante se referă la densitatea energetică insuficientă (ceea ce înseamnă autonomie redusă), timp lung de încărcare, durată de viață limitată (măsurată în număr de cicluri de încărcare/descărcare), dar și riscuri de incendiu sau de probleme în funcționare la temperaturi extreme.

Dioxidul de titaniu – primii pași
baterii litiu ion titaniu - ecoprofit 1
Profesorul Darren Sun și o mostră de dioxid de titaniu (TiO2)

Acum doi ani, în 2013, cercetătorii de la Universitatea Tehnologică din Nanyang, din Singapore, anunțau că au descoperit un nou material, care ar putea revoluționa domeniul bateriilor: dioxidul de titaniu. Sub formă de nanoparticule, acesta poate fi inclus în anodul de carbon al bateriei litiu-ion, dublând capacitatea și performanțele acesteia.

De altfel, titaniul nu este un material nou pentru domeniul bateriilor auto: de exemplu, versiunile de Mitsubishi i-MiEV pentru Japonia folosesc nanocristale de titanat de litiu pentru anozii celulelor bateriei (așa-numita tehnologie SCiB). Pe piață există și alte firme producătoare de baterii litiu-titanat pentru mașini sau biciclete electrice, mai puțin cunoscute și având, în general, prețuri mari pentru produsele lor.

Din păcate, mulți dintre constructorii auto consideră prea mare prețul bateriilor litiu-ion cu titaniu, de aceea această tehnologie nu este încă populară. Dar cercetările în domeniu avansează foarte rapid.

Dioxidul de titaniu – promisiuni extraordinare
baterii litiu ion titaniu - ecoprofit 2
Chen Xiaodong, Tang Yuxin și Deng Jiyang, cu o mostră a ”super-bateriei viitorului”

La doar un an distanță, în 2014, cercetătorii aceleiași universități din Singapore au revenit în actualitate cu un nou anunț privind avantajele integrării titaniului în baterii. Noua tehnologie presupune utilizarea dioxidului de titaniu sub formă de nanotuburi amestecate cu hidroxid de sodiu, gelul rezultat înlocuind grafitul din construcția anodului. Acesta devine mai rezistent, în același timp asigurând creșterea vitezei reacțiilor chimice.

Deci se obțin o durabilitate crescută a bateriei (care poate ajunge și la 20 de ani), creșterea numărului de cicluri de funcționare (minimum 10.000 de cicluri) și scăderea timpului necesar pentru încărcare (în teorie, ar fi necesare doar 2 minute pentru încărcarea până la 70%!).

Este adevărat, vorbim de o tehnologie aflată încă în stadiul de laborator, dar cercetătorii susțin că vor reuși să creeze baterii fezabile în maximum 2 ani, iar tehnologia este de așteptat să ajungă în producția de mare serie în maximum 5 ani. Ceea ce ar însemna că, de prin 2020, mașinile electrice vor deveni adevărate amenințări la adresa mașinilor convenționale…

baterii litiu ion titaniu - ecoprofit 3
Conform japonezului Noritaka Mizuno, bateria cu reacții redox între oxizii și peroxizii de litiu poate asigura o capacitate de 7 ori mai bună

Interesant de remarcat că, tot în 2014, cercetătorii de la Universitatea din Tokyo prezentau conceptul unei baterii care, prin utilizarea cobaltului în structura catodului, ducea la creșterea de până la 7 ori a capacității bateriei. O propunere care sună extrem de promițător, dar se lovește de probleme majore din punct de vedere constructiv.

Totuși, profesorul Rachid Yazami, unul dintre cei care a participat la inventarea bateriei litiu-ion acum 30 de ani, consideră că soluția cercetătorilor din Singapore are mai mari șanse să devină realitate. Pentru că, în opinia lui, este cea mai mare descoperire din domeniu care ar putea realmente revoluționa bateriile, fie că vorbim de gadgeturi și mașini electrice ori de soluții de stocare rezidențiale și industriale.

Dioxidul de titaniu + aluminiu = LOVE
baterii litiu ion titaniu - ecoprofit 4
Principiul ”yolk-shell”: nanoparticula de aluminiu are suficient spațiu în interiorul capsulei de dioxid de titaniu pentru a se dilata și contracta

Povestea continuă, de data asta cu specialiștii de la MIT. Care folosesc expresia de ”yolk-shell” (în traducere literară, ”gălbenuș-coajă”) pentru asocierea dintre aluminiu și dioxidul de titaniu. Mai exact, nanoparticulele de aluminiu sunt ”învelite” într-o ”carcasă” de dioxid de titaniu, formând anodul bateriei.

Într-o baterie obișnuită litiu-ion, electrozii își măresc/micșorează volumul în timpul ciclurilor de încărcare/descărcare. Ca efect, stratul de litiu se degradează în timp, deci și capacitatea și durabilitatea bateriei sunt limitate. Noua idee presupune realizarea anodului din acest material ”yolk-shell”, care permite nanoparticulelor de aluminiu să-și modifice dimensiunea, fără a afecta ”carcasa”.

Aluminiul are o capacitate de stocare de circa 2 Ah/g, adică de peste 5 ori mai bună față de grafit, folosit în mod convențional în construcția anozilor bateriilor litiu-ion actuale. Iar dioxidul de titaniu elimină dezavantajul formării peliculei solid-electrolyte interphase (SEI), care apare la contactul dintre aluminiu și electrolit, ducând la degradarea celui din urmă.

baterii litiu ion titaniu - ecoprofit 5
Deși compușii inerți de litiu se formează pe carcasa de oxid de titaniu, iar anodul din aluminiu poate crește în volum cu până la 96%, carcasa rămâne stabilă, astfel scăzând numărul de compuși inerți de litiu

Partea comică a acestei inovații este că descoperirea a fost făcută… din întâmplare. Cei doi cercetători principali (Li Ju de la MIT-SUA, respectiv Wang Changan de la Universitatea din Tsinghua-China) erau implicați în găsirea unei soluții de a elimina dezavantajele intrării nanoparticulelor de aluminiu în contact cu aerul.

Soluția ”yolk-shell” a fost testată în condiții de laborator, iar rezultatele sunt extrem de promițătoare: capacitatea și durabilitatea noilor baterii pot fi de patru ori mai mare decât a actualelor baterii. Ceea ce depășește promisiunile cercetătorilor din Singapore, care consideră că soluția ”yolk-shell” este greu de transpus în practică la nivel industrial.

Oricum, cei de la MIT, în colaborare cu specialiștii Samsung, susțin că au avansat foarte mult în cercetarea așa-numiților conductori superionici, bazați pe materiale precum litiul, germaniul, fosforul și sulful și care ar fi cheia pentru obținerea unei baterii cu electrolit solid.

baterii litiu ion titaniu - ecoprofit 6
Structura cristalină a unui conductor superionic

Ceea ce ar rezolva în primul rând problemele de siguranță (eliminarea riscurilor de incendiu), de funcționare la temperaturi extreme și chiar ar duce la creșterea densității și a durabilității cu 20-30% – o îmbunătățire mult sub nivelul promis de tehnologiile pe bază de titaniu.

Dar cum ar fi dacă soluția ”yolk-shell” ar fi combinată cu electrolitul solid? Este o întrebare extrem de interesantă, la care așteptăm ca lumea cercetătorilor să încerce să găsească un răspuns cât mai rapid.

Titaniul în combinație cu sulful, noi promisiuni

Vești proaspete vin din Japonia, privind o tehnologie care presupune utilizarea sulfului în combinație cu titaniul. Cercetătorii de la Universitatea din Kansai susțin că au reușit să obțină electrozi din aur placați cu un amestec ceramic din fier, titaniu și sulf, amestec stabil și care nu se descompune decât extrem de greu.

baterii litiu ion titaniu - ecoprofit 7
Cercetător japonez arătând tehnologia care are potențialul de a crește de 4-5 ori capacitatea bateriilor, combinând titaniul cu sulful

Din nou, nanotehnologia joacă un rol esențial, iar noile baterii promit o capacitate de până la 5 ori mai mare decât a actualelor baterii litiu-ion. În același timp, voltajul va fi mai redus, deci durabilitatea va crește, iar timpul de încărcare va scădea.

Deocamdată, în testele de laborator, timpul de încărcare a scăzut cu 5% utilizând o concentrație de 30% de sulf, dar japonezii cred că, odată cu creșterea concentrației de sulf, vor obține timpi de încărcare și mai scăzuți. Totul în condițiile în care construcția unei astfel de baterii se anunță mult mai ieftină decât în cazul tehnologiei actuale.

Când ar putea deveni fezabilă această tehnologie pentru producția de masă? Nu mai devreme de 5 ani, conform specialiștilor de la universitatea japoneză, care lucrează împreună cu mari companii din domeniul bateriilor pentru a găsi soluțiile de industrializare cele mai eficiente.

Promisiuni din ce în ce mai multe. Chiar și fără titaniu

Un start-up necunoscut din Israel, StoreDot, anunța nu de mult că a realizat o baterie specială pentru smartphone-uri, care poate asigura încărcarea totală în doar 1 minut sau chiar mai puțin. Acum, această firmă recidivează, anunțând o baterie cu încărcare super-rapidă pentru mașini electrice.

Denumită FlashBattery, aceasta promite o încărcare totală în doar 5 minute, asigurând o autonomie maximă de 300 mile (circa 480 km). Tehnologia utilizată este bazată pe compuși organici, nepoluanți (față de cei metalici) și mai ieftin de fabricat. În condițiile în care bateriile sunt mai sigure și chiar superioare ca performanțe bateriilor litiu-ion.

Ceea ce sună formidabil, cu două mari excepții: nu există încă o validare din partea unor specialiști în domeniu – firma StoreDot este zgârcită în privința detalierii tehnologiei, spre deosebire de cercetătorii menținați mai sus, care publică periodic rezultatele cercetărilor, acestea putând fi analizate și validate de alți specialiști.

După care israelienii declară că mai trebuie așteptat minimum 5 ani până când vom vedea această tehnologie pusă în practică pe vehiculele electrice. Totuși, nu trebuie neglijat faptul că, până în acest moment, compania a atras deja fonduri de peste 60 de milioane de dolari, printre investitori numărându-se Samsung și magnatul rus Roman Abramovich.

CONCLUZIE

Cercetările din domeniul bateriilor sunt mult mai variate decât exemplele date aici. Totuși, se pare că o mare parte a celor implicați în acest domeniu sunt de părere că titaniul are cele mai mari șanse să ”schimbe regulile jocului” și să le confere bateriilor avantaje mult mai mari decât actuala tehnologie litiu-ion.

Deocamdată, vorbim de rezultate bune și foarte bune doar în condiții de laborator, în general rezultatele viabile, din punct de vedere comercial, fiind așteptate peste cel puțin 5 ani. Cu alte cuvinte, mașinile electrice promit să devină cu adevărat competitive de-abia începând cu 2020.

Când autonomia va fi mult mai mare, timpii de încărcare mult mai mici, iar nivelul siguranței mai bun. Totul în condițiile unor prețuri mai accesibile, factor esențial pentru ca mașinile electrice să devină populare. Date fiind aceste premise, devine din ce în ce mai credibilă ”previziunea” că mașinile electrice vor deveni dominante până în 2030. Pur și simplu, tehnologia evoluează galopant, iar avantajele pe care le aduce față de propulsia convențională sunt indiscutabile.