Širjenje meja v proučevanju akumulatorjev

Raziskovalci Kemijskega inštituta zadnjih osem let raziskujejo organske katodne materiale, magnezijeve organske akumulatorje pa razvijajo že od leta 2013. Najnovejše rezultate njihovih raziskav je pred dnevi objavila prestižna znanstvena revija Nature Communications.

Odkritje o načrtnem prirejanju programske opreme, ki nadzira delovanje dizelskih avtomobilskih motorjev tako, da ti v določenih razmerah izpustijo bistveno manj škodljivih izpustov kot med običajnim delovanjem, je dalo razvoju elektromobilnosti dodaten zagon. A tudi pri električno gnanih avtomobilih zgodba ni tako bleščeča in zelena, saj ima njihova izdelava, predvsem izdelava akumulatorjev zanje, velik vpliv na okolje.

Okoljska prijaznost električnih avtomobilov je nadalje odvisna od načina pridobivanja električne energije, s katero polnimo akumulatorje. Če ta nastaja v termoelektrarni s slabimi filtri na dimniku, je lahko ekološki pečat takšnega avtomobila še slabši kot pri tistem, ki ga poganja fosilno gorivo. Tu je še dejanski doseg električnih avtomobilov, ki je trenutno praktičen za mestno in primestno uporabo, na daljši poti pa se izkaže za pravo nočno moro, zato je iskanje zmogljivejše baterije nujno, če želimo kakovostnejšo elektromobilnost.

Današnja litijeva ekonomija ni trajnostna

Za napajanje električnih avtomobilov, pa tudi vrste drugih naprav, trenutno uporabljamo litijeve baterije. »Vendar litijeva ekonomija, kakršno poznamo danes, ni trajnostna,« je v uvodnem nagovoru ob predstavitvi zadnjega znanstvenega dosežka raziskovalcev Kemijskega inštituta dejal prof. dr. Robert Dominko, eden od avtorjev raziskave.

Prav iskanje trajnostnejših alternativ litijevim akumulatorjem je področje, s katerim se zadnja leta intenzivno ukvarjajo tudi na tem inštitutu. Zadnjih pet let namreč v sodelovanju s podjetjem Honda R&D Europe razvijajo magnezijeve organske akumulatorje. Kot je pojasnil dr. Dominko, so prav organski akumulatorji bolj trajnostni.

»Čaka nas še veliko raziskovalnega dela in izzivov, kako narediti takšne akumulatorje zmogljivejše, jim vgraditi preciznejša tipala za nadzor delovanja baterije,« je naštel nekaj izzivov, ki so pred njimi.

Sodelavci odseka za kemijo materialov in teoretičnega odseka so leta 2016 začeli raziskovati, kako bi lahko z infrardečo spektroskopijo analizirali delovanje akumulatorja med delovanjem. Ugotovitve so avtorji raziskave prof. dr. Jože Grdadolnik, dr. Jernej Stare, prof. dr. Robert Dominko, dr. Jan Bitenc, dr. Alen Vizintin, dr. Klemen Pirnat in Anja Kopač Lautar predstavili v znanstvenem članku Preiskovanje elektrokemijskih reakcij v organskih katodnih materialih s pomočjo operando infrardeče spektroskopije, ki je izšel sredi februarja v reviji Nature Communications.

Močno orodje za raziskovanje novih organskih materialov

Njihovo odkritje odpira nove možnosti preiskovanja akumulatorskih sistemov z novo operando analitsko tehniko, s katero je mogoče spremljati delovanje akumulatorja oziroma akumulatorskega katodnega materiala med samim obratovanjem (operando pomeni, da meritve potekajo sočasno med polnjenjem in praznjenjem akumulatorja). Uveljavljene operando tehnike so pogosto vezane na drage in težko dostopne aparature, pri tehniki, ki so jo razvili na Kemijskem inštitutu, pa je potreben le infrardeči spektrometer, ki ga imajo v skoraj vsakem kemijskem laboratoriju.

»Metodo smo razvili za razlago mehanizma delovanja poli(antrakinonil)sulfida v litijevih in magnezijevih akumulatorjih. V obeh sistemih smo z infrardečo spektroskopijo opazili redukcijo karbonilne vezi med praznjenjem akumulatorja. Rezultate IR-spektroskopije smo potrdili z izračuni teoretičnih spektrov in sintezo modelnih spojin. Nova metoda je močno orodje za raziskavo novih organskih materialov ter študijo degradacijskih procesov v katodnih materialih,« so povzeli dvoletno raziskovalno delo.

Med raziskovanjem so še potrdili, da organski polimerni materiali v magnezijevih organskih akumulatorjih delujejo po enakem mehanizmu kot v litijevih organskih akumulatorjih, kar odpira nove možnosti raziskovanja Mg-organskih akumulatorjev, ki jih razvijajo na inštitutu.

»Kombinacija magnezijeve anode in organskih katod ponuja možnost razvoja novih do okolja prijaznih akumulatorskih sistemov, ki so tudi komercialno zanimivi. To potrjuje dejstvo, da je raziskavo financirala Honda,« so o pomenu odkritja povedali sodelavci pri raziskavi, ki jo je poleg Honde podprla tudi javna agencija za raziskovalno dejavnost. Obenem so prepričani, da je njihov dosežek dokaz in spodbuda, da je možno javno financiranje komplementirati s financiranjem industrijskih partnerjev – tujih in domačih.