Σχεδιάζοντας μια Καλύτερη Μπαταρία – Αποχαιρετώντας το Κοβάλτιο και Καλωσορίζοντας…TAQ;

Οι ερευνητές του Massachusetts Institute of Technology (MIT) έχουν πρόσφατα αναπτύξει έναν νέο τύπο τεχνολογίας μπαταριών που παραλείπει την ανάγκη για πολύτιμα μέταλλα. Στη θέση τους; Ένα οργανικό κάθοδο γνωστό ως bis-tetraaminobenzoquinone ή ‘TAQ’.

Η Σημασία των Μπαταριών

Με την άνοδο των Ηλεκτρικών Οχημάτων (EVs) – κυρίως χάρη στην αμερικανική Tesla (TSLA ) και την κινεζική BYD και CATL – η τεχνολογία μπαταριών έχει γίνει πιο σημαντική από ποτέ, καθώς είναι σχετική όχι μόνο με τα ηλεκτρονικά, αλλά και με τη μετακίνηση. Και σύντομα και με το ηλεκτρικό δίκτυο, προκειμένου να εξισορροπήσει την ακανόνιστη παραγωγή των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως ο άνεμος και η ηλιακή ενέργεια.

Παγκόσμιες πωλήσεις EV – Πηγή: IEA

Μέχρι σήμερα, η κυρίαρχη χημεία για τις μπαταρίες είναι η τεχνολογία λιθίου-ιόντων. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτές οι μπαταρίες είναι μερικές από τις πιο ενεργειακά πυκνές διαθέσιμες όταν μετρώνται σε kW/kg. Αυτό το μέτρο είναι μακράν το πιο σημαντικό στις εφαρμογές κινητικότητας, καθώς κάθε επιπλέον κιλό μπαταρίας σημαίνει ανάγκη για περισσότερη μπαταρία και/ή μικρότερη εμβέλεια.

Έτσι, καθώς τα EV έχουν αποδείξει ότι είναι η πιθανή βασική τεχνολογία του μέλλοντος για αυτοκίνητα (και ίσως φορτηγά και ακόμη αεροπλάνα), έχουν καταβληθεί σημαντικές προσπάθειες για τη βελτίωση της τεχνολογίας μπαταριών.

Απομάκρυνση του Λιθίου-Ιόντων;

Παρόλο που είναι εξαιρετικά πυκνή, η παραδοσιακή τεχνολογία λιθίου-ιόντων δεν είναι χωρίς ελαττώματα. Υπάρχει μια λίστα προβλημάτων που πρέπει να λυθούν:

• Η πυκνότητα παραμένει σχετικά χαμηλή σε σύγκριση με τα υγρά καύσιμα όπως η βενζίνη και το ντίζελ, προκαλώντας άγχος εμβέλειας.
• Η φόρτιση μπορεί να είναι κάπως αργή, κάτι που αποτελεί πρόβλημα για πολλούς οδηγούς και εμπορικές εφαρμογές.
• Οι μπαταρίες είναι ακριβές, κυρίως λόγω της ανάγκης για ακριβά μεταλλεύματα.
  • Αυτό οδήγησε τα EV αρχικά να θεωρούνται περισσότερο προϊόν πολυτελείας παρά κανονικό καταναλωτικό προϊόν.
  • Η εξόρυξη αυτών των μεταλλευμάτων σπάνια είναι φιλική προς το περιβάλλον και συχνά συνοδεύεται από απαράδεκτες συνθήκες εργασίας και εκμετάλλευση φτωχών εργατών ή παιδιών στα ορυχεία, ιδιαίτερα στην περίπτωση του κοβάλτιου στην Κονγκό.

Ως αποτέλεσμα, έχουν εξεταστεί πολλές εναλλακτικές χημικές συνθέσεις. Αυτό περιλαμβάνει, αλλά δεν περιορίζεται σε,

• LFP (Λίθιο-Σίδηρος/Φωσφορικό σίδηρο)
• σόδιο-ιόν
• συμπαγείς μπαταρίες
• λιθίου-θειούχες
• γραφένιο
• γυάλινοι μπαταρίες

Η οξείδωση του αλουμινίου έχει ακόμη συζητηθεί ως εναλλακτική λύση στις μπαταρίες εντελώς. Ωστόσο, όλες αυτές οι εναλλακτικές έχουν περιορισμούς. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει μικρότερη διάρκεια ζωής, δυσκολίες στην παραγωγή, κ.λπ.

(Συζητήσαμε λεπτομερώς τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς καθεμίας από αυτές τις τεχνολογίες στο άρθρο “The Future of Mobility – Battery Tech”).

Οι πιο υποσχόμενες, όπως οι συμπαγείς μπαταρίες, βρίσκονται ακόμη σε πειραματικό στάδιο, ενώ αυτές που είναι έτοιμες για εμπορευματοποίηση, όπως οι LFP και οι σόδιο-ιόν, υποφέρουν από χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα σε σύγκριση με τις λιθίου-ιόντων.

Πιθανώς υπάρχει αγορά για αυτές τις μπαταρίες χαμηλότερης πυκνότητας, καθώς είναι επίσης πολύ φθηνότερες στην παραγωγή. Η κινεζική εταιρεία CATL (300750.SZ), η οποία παράγει περισσότερο από το ήμισυ των μπαταριών του πλανήτη, είναι μία από τις ηγέτιδες σε αυτόν τον τομέα. Συζητήσαμε τους κορυφαίους κατασκευαστές μπαταριών στο άρθρο μας “Top 10 Battery Stocks To Invest In”.

Παρόλα αυτά, τελικά, το ιδανικό EV θα έπρεπε να έχει μια φθηνή ΚΑΙ ισχυρή μπαταρία. Αυτός ο συνδυασμός πιθανότατα θα απαιτηθεί για την πλήρη αντικατάσταση του κινητήρα εσωτερικής καύσης, ιδιαίτερα για εμπορικές εφαρμογές.

Το Πρόβλημα του Καθόδου Λιθίου-Ιόντων

Οι περισσότερες περιορισμοί των λιθίου-ιόντων προέρχονται από τις χημικές και φυσικές ιδιότητες του μέρους του καθόδου της μπαταρίας. Είναι ο κάθοδος που συνήθως απαιτεί κοβάλτιο, και ακόμη και σε εναλλακτικές χωρίς κοβάλτιο, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από άλλα ακριβά μέταλλα όπως το νικέλιο και το μαγνήσιο.

(Τα μέταλλα που απαιτούνται για τη μετάβαση στα EV και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας συζητήθηκαν περαιτέρω στο άρθρο μας “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”)

Αυτά τα μέταλλα πρέπει να εξορύσσονται, προκαλούν ρύπανση, και οι συνθήκες εργασίας είναι συχνά απαίσες. Επίσης είναι τοξικά, καθιστώντας την ανακύκλωση των μπαταριών πιο πολύπλοκη διαδικασία.

Πηγή: Visual Capitalist

Οι ερευνητές έχουν εξετάσει εναλλακτικές βασισμένες σε άνθρακα, ή τα λεγόμενα οργανικά κάθοδος. Μέχρι στιγμής, αυτό ήταν μάλλον ανεπιτυχές, καθώς τα οργανικά κάθοδος είτε έχουν πολύ χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα είτε δεν είναι αρκετά ανθεκτικά για χρήση σε συχνά κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης των EV.

Αυτό μπορεί να έχει αλλάξει, χάρη στην προαναφερθείσα ανακάλυψη των ερευνητών του MIT.

Ένας Νέος Τύπος Οργανικού Καθόδου

Καθ. Mircea Dincă, εργάζεται ως Καθηγητής Ενέργειας W.M. Keck στο MIT, έχει πρόσφατα εξερευνήσει νέα οργανικά ενώσεις που δεν είχαν δοκιμαστεί προηγουμένως για εφαρμογές καθόδου. Αντί των προηγούμενα εξερευνημένων οργανικών θειικών και καρβονυλικών ενώσεων, εξέτασε μια ένωση που ονομάζεται TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone). Η ομάδα του είχε προηγουμένως δείξει τη δυνατότητα αυτής της χημικής ως υλικού υπερπυκνωτή.

Το TAQ έχει μεγάλο δυναμικό για χρήση σε μπαταρίες, καθώς σχηματίζει “στρωματοποιημένες στερεές δομές που μπορούν ενδεχομένως να ανταγωνιστούν την απόδοση των παραδοσιακών καθόδων βασισμένων σε κοβάλτιο.”

Καθεαυτό, αυτό δεν θα ήταν αρκετό. Οι ερευνητές του MIT επίσης βρήκαν πώς να βελτιώσουν την προσκόλληση του TAQ στον ανοξείδωτο συλλέκτη ρεύματος του καθόδου, βελτιώνοντας τη σταθερότητα του νέου πρωτοτύπου καθόδου proof-of-concept.

Προσθέτοντας υλικά που περιέχουν κυτταρίνη και καουτσούκ στο TAQ, πέτυχαν με ασφάλεια πάνω από 2.000 κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης. Η ενεργειακή πυκνότητα ήταν επίσης υψηλότερη από αυτή των καθόδων βασισμένων σε κοβάλτιο, και η φόρτιση διήρκεσε λιγότερο από 6 λεπτά.

Τι Ακολουθεί;

Αυτή είναι, προς το παρόν, ένα εργαστηριακό πρωτότυπο, και απαιτείται περαιτέρω εργασία για να κλιμακωθεί στο πλήρες μέγεθος πακέτου μπαταριών EV — καθώς και περαιτέρω προσπάθεια για να δημιουργηθεί μια κλιμακωμένη διαδικασία κατασκευής για αυτή τη νέα χημεία μπαταριών.

Παρόλα αυτά, αυτή είναι μία από τις πρώτες φορές που ένας οργανικός κάθοδος έχει ξεπεράσει τα σχέδια λιθίου-ιόντων βασισμένα σε κοβάλτιο σε κάθε σημαντικό μέτρο: ενεργειακή πυκνότητα, κόστος υλικών και ταχύτητα φόρτισης.

Αυτό δείχνει ότι η χημεία λιθίου-ιόντων θα μπορούσε να παραμείνει η κυρίαρχη χημεία μπαταριών, εφόσον λύσει την εξάρτησή της από μέταλλα που προκαλούν ηθικά και περιβαλλοντικά ζητήματα.

Ένα ακόμη πράγμα που αποδεικνύει η έρευνα του Καθ. Dincă είναι ότι οι οργανικοί κάθοδος έχουν μεγάλο δυναμικό, με ενδεχομένως χιλιάδες άλλες οργανικές ενώσεις που δεν έχουν δοκιμαστεί ακόμη για αυτήν την εφαρμογή. Έτσι, ακόμη και αν το TAQ αποδειχθεί ανεπαρκές για την αντικατάσταση του κοβάλτιου και του νικελίου, άλλες χημικές ουσίες παρόμοιες με το TAQ μπορεί να το επιτύχουν.

Τα σχέδια λιθίου-ιόντων ωφελούνται επίσης από μια τεράστια υπάρχουσα αλυσίδα εφοδιασμού και βάση κατασκευής. Και θα ήταν πολύ πιο εύκολο να αλλάξει κανείς μόνο τον κάθοδο παρά να ξαναχτίσει τις εργοστάσια μπαταριών από το μηδέν για να προσαρμοστούν σε νέες χημείες. Έτσι, η βελτίωση του λιθίου-ιόντων μπορεί να έχει πολύ νόημα από επιχειρηματική άποψη.

Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι οι οργανικοί κάθοδος έχουν συζητηθεί και για άλλους τύπους μπαταριών, για παράδειγμα, για αλουμινίου-ιόν, σόδιο/καλίου-ιόν, ψευδάργυρο, ή διπλό-ιόν βάσει ασβεστίου μπαταρίες. Έτσι, είναι δυνατόν η ανακάλυψη των ιδιοτήτων του TAQ να εφαρμοστεί σε άλλους τύπους μπαταριών εκτός του λιθίου-ιόντων.

Σε κάθε περίπτωση, τα οργανικά συστατικά στις μπαταρίες θα τις κάνουν πιο εύκολες στην ανακύκλωση, ένα ζήτημα (και επενδυτική ευκαιρία) που εξετάσαμε σε βάθος στο άρθρο μας “Αντιμετωπίζοντας το Δίλημμα του Li-ion: Απόρριψη Απενεργοποιημένων Κυψελών Μπαταριών σε έναν Όλο και Περισσότερο Ηλεκτροποιημένο Κόσμο”.

Εταιρείες Οργανικού Καθόδου

Volkswagen AG

Η έρευνα του Καθ. Mircea Dincă χρηματοδοτήθηκε από την Automobili Lamborghini S.p.A., θυγατρική της Audi, που ανήκει στην Volkswagen Group. Μια αίτηση πατέντας για την τεχνολογία οργανικού καθόδου έχει ήδη υποβληθεί.

Ο γερμανικός κατασκευαστής αυτοκινήτων είναι ο δεύτερος μεγαλύτερος παραγωγός αυτοκινήτων στον κόσμο, μετά μόνο την Toyota. Η εταιρεία, για κάποιο χρονικό διάστημα, καθυστέρησε στην τεχνολογία EV, αλλά έχει εργαστεί σκληρά για να καλύψει το χάσμα, ιδιαίτερα με τη σειρά αυτοκινήτων ID και πολλά υβριδικά μοντέλα.

Πηγή: Volkswagen

Μέχρι το 2033, η Volkswagen Group σχεδιάζει να παράγει μόνο EV στην Ευρώπη.

• Μια συνεργασία με τη Renault για ένα EV αξίας 20.000 ευρώ.
• Μια επένδυση 700 εκατομμυρίων δολαρίων στην κινεζική Xpeng για την ενίσχυση των πωλήσεων EV στην Κίνα.
• Μια συνεργασία με την κινεζική SAIC Motor για την προμήθεια πλατφορμών EV στη Volkswagen.
• Μια συνεργασία με την Jetta Motor για την απόκτηση τεχνολογίας EV.
• Μια συνεργασία 492 εκατομμυρίων δολαρίων με Magna για την αναζωογόνηση των εικονικών Scout SUVs ως EV

Με τα φιλόδοξα σχέδιά του για EV και την πρόσβαση σε προηγμένη τεχνολογία EV από κορυφαίες κινεζικές εταιρείες, η Volkswagen βρίσκεται σε καλή θέση να εξετάσει την πατενταρισμένη τεχνολογία οργανικού καθόδου του MIT και να εργαστεί για την εφαρμογή της σε κλίμακα στα μελλοντικά της EV.

Άλλες Εταιρείες Οργανικών Μπαταριών

Αν και δεν αναπτύσσουν νέους κάθοδος, δύο νεοσύστατες εταιρείες εργάζονται στη χρήση οργανικών ενώσεων για τη βελτίωση των επιδόσεων του άνοδο, Store Dot και EnergyX.