Pagdidisenyo ng Mas Mahusay na Baterya – Alisin ang Cobalt at Ipasok ang…TAQ?

Ang mga mananaliksik sa Massachusetts Institute of Technology (MIT) ay kamakailan lamang nakabuo ng isang bagong uri ng teknolohiyang baterya na hindi na kailangan ng mamahaling metal. Sa halip? Isang organikong katodo na kilala bilang bis-tetraaminobenzoquinone o ‘TAQ’.

Ang Kahalagahan ng mga Baterya

Sa pag-usbong ng mga EV (Electric Vehicles) – karamihan dahil sa Americanong Tesla (TSLA ) at Tsino na BYD at CATL – ang teknolohiyang baterya ay naging mas mahalaga kaysa dati dahil ito ay mahalaga hindi lamang para sa mga elektronikong aparato, kundi pati na rin sa mobilidad. At malapit na rin para sa grid ng kuryente, upang mapantayan ang hindi regular na paglabas ng mga renewable na enerhiya tulad ng hangin at araw.

Global na benta ng EV – Pinagmulan: IEA

Hanggang ngayon, ang namumunong kimika para sa mga baterya ay ang teknolohiyang lithium-ion. Ito ay dahil ang mga bateryang ito ay ilan sa mga pinaka-densidad ng enerhiya kapag sinusukat sa kW/kg. Ang sukatan na ito ay ang pinakamahalaga sa mga aplikasyon ng mobilidad, dahil bawat karagdagang kilo ng baterya ay nangangahulugang kailangan ng mas maraming baterya at/o mas kaunting saklaw.

Kaya, dahil napatunayan na ang mga EV ang malamang na susi sa hinaharap na teknolohiya para sa mga sasakyan (at marahil mga trak at kahit mga eroplano), malaking pagsisikap ang inilaan upang mapabuti ang teknolohiyang baterya.

Iwanan ba ang Lithium-Ion?

Bagaman napakadensidad, ang tradisyunal na teknolohiyang lithium-ion ay hindi walang kahinaan. May listahan ng mga problemang kailangang lutasin:

• Ang densidad ay nananatiling medyo mababa kumpara sa likidong gasolina tulad ng gasolina at diesel, na nagdudulot ng pag-aalala sa saklaw.
• Ang pag-charge ay maaaring medyo mabagal, na problema para sa maraming drayber at komersyal na aplikasyon.
• Mah

  al ang mga baterya, kadalasan dahil sa pangangailangan ng mamahaling mineral.

  • Ito ay nagdulot na ang mga EV ay unang itinuturing na luho kaysa pangkaraniwang consumer product.
  • Ang pagmimina ng mga mineral na ito ay bihirang maging environment-friendly at madalas na may kasamang nakakasuklam na kondisyon sa trabaho at pagsasamantala sa mahihirap na manggagawa o mga bata sa mga minahan, lalo na sa kaso ng cobalt sa Congo.

Bilang resulta, maraming alternatibong kimika ang isinasaalang-alang. Kabilang dito at hindi limitado sa:

• LFP (Lithium-Ferrum/iron-Phosphate)
• sodium-ion
• solid-state batteries
• lithium-sulfur
• graphene
• glass batteries

Ang oksidasyon ng aluminyo ay kahit napag-usapan bilang alternatibo sa mga baterya. Gayunpaman, lahat ng mga alternatibong ito ay may mga limitasyon. Maaaring kabilang dito ang mas maikling buhay ng produkto, kahirapan sa paggawa, atbp.

(Tinalakay namin nang detalyado ang mga kalamangan at limitasyon ng bawat isa sa mga teknolohiyang ito sa aming artikulong “The Future of Mobility – Battery Tech“).

Ang pinaka-promising, tulad ng solid-state batteries, ay nasa yugto pa lamang ng eksperimento, at ang mga handa na para sa komersyalisasyon, tulad ng LFP at sodium-ion, ay nagdusa sa mas mababang densidad ng enerhiya kumpara sa lithium-ion.

Marahil may merkado para sa mga bateryang may mababang densidad na ito, dahil mas mura rin silang gawin. Ang kumpanyang Tsino na CATL (300750.SZ), na gumagawa ng higit sa kalahati ng mga baterya sa mundo, ay isa sa mga nangunguna sa larangang ito. Tinalakay namin ang mga nangungunang tagagawa ng baterya sa aming artikulong “Top 10 Battery Stocks To Invest In”.

Gayunpaman, sa huli, ang perpektong EV ay dapat magkaroon ng mura AT makapangyarihang baterya. Ang kombinasyong ito ay malamang na kailangan upang ganap na mapalitan ang internal combustion engine, lalo na para sa mga komersyal na aplikasyon.

Ang Problema sa Lithium-Ion Cathode

Karamihan sa mga limitasyon ng lithium-ion ay nagmumula sa kemikal at pisikal na katangian ng bahagi ng baterya na tinatawag na cathode. Ang cathode ang karaniwang nangangailangan ng cobalt, at kahit sa mga potensyal na alternatibong walang cobalt, kadalasan ay umaasa nang malaki sa iba pang mamahaling metal tulad ng nickel at magnesium.

(Ang mga metal na kinakailangan para sa paglipat sa EVs at renewable energy ay tinalakay pa nang higit sa aming artikulong “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”.)

Ang mga metal na ito ay kailangang minahin, nagdudulot ng polusyon, at madalas na napakamasama ang kondisyon sa trabaho. Sila rin ay nakakalason, na nagpapahirap sa pag-recycle ng mga baterya.

Pinagmulan: Visual Capitalist

Ang mga mananaliksik ay tumitingin sa mga alternatibong batay sa carbon, o ang tinatawag na organikong cathodes. Sa ngayon, ito ay hindi gaanong matagumpay, dahil ang mga organikong cathode ay alinman sa napakababa ng densidad ng enerhiya o hindi sapat ang tibay para magamit sa konteksto ng madalas na charge-discharge cycles ng mga EV.

Maaaring nagbago ito, salamat sa nabanggit na pagtuklas ng mga mananaliksik mula sa MIT.

Isang Bagong Uri ng Organikong Cathode

Propesor Mircea Dincă, na nagtatrabaho sa W.M. Keck Professor of Energy sa MIT, ay kamakailan lamang nag-eksplora ng mga bagong organikong compound na dati ay hindi pa nasubukan para sa mga aplikasyon ng cathode. Sa halip ng mga dating sinubukang organosulfur at carbonyl compounds, tumingin siya sa isang compound na tinatawag na TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone). Ang kanyang koponan ay dati nang nagpakita ng potensyal ng kemikal na ito bilang materyal ng supercapacitor.

Ang TAQ ay may malaking potensyal para magamit sa mga baterya, dahil ito ay bumubuo ng “layered solid-state structures na maaaring makipagkumpetensya sa tradisyonal na performance ng cobalt-based cathode.”

Sa sarili nito, hindi ito sapat. Natuklasan din ng mga mananaliksik mula sa MIT kung paano mapabuti ang pagdikit ng TAQ sa stainless-steel current collector ng cathode, na nagpapabuti sa katatagan ng bagong proof-of-concept na prototype ng cathode.

Sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga materyal na may cellulose at goma sa TAQ, ligtas nilang naabot ang higit sa 2,000 charge-discharge cycles. Ang densidad ng enerhiya ay mas mataas din kumpara sa mga cobalt-based cathode, at ang pag-charge ay tumagal ng mas mababa sa 6 na minuto.

Ano ang Susunod?

Sa ngayon, ito ay isang prototype sa laboratoryo, at kinakailangan pa ng karagdagang trabaho upang i-scale ito sa buong sukat ng EV battery pack—at higit pang pagsisikap upang makita kung paano gagawin ang isang scaled-up na proseso ng paggawa para sa bagong kimika ng baterya.

Gayunpaman, ito ay isa sa mga unang pagkakataon na ang isang organikong cathode ay nalagpasan ang mga disenyo ng cobalt-based lithium-ion sa bawat mahalagang sukatan: densidad ng enerhiya, gastos ng mga materyales, at bilis ng pag-charge.

Ipinapakita nito na ang kimika ng lithium-ion ay maaaring manatiling pangunahing kimika ng baterya, hangga’t ito ay makakahanap ng solusyon sa pag-asa nito sa mga metal na nagdudulot ng etikal at pangkapaligirang isyu.

Isa pang bagay na pinapatunayan ng pananaliksik ni Prop. Dincă ay na ang mga organikong cathode ay may malaking potensyal, na may libu-libong iba pang organikong compound na hindi pa nasusubukan para sa aplikasyon na ito. Kaya kahit na ang TAQ ay hindi sapat upang palitan ang cobalt at nickel, maaaring makamit ito ng iba pang kemikal na katulad ng TAQ.

Ang mga disenyo ng lithium-ion ay nakikinabang din sa napakalaking umiiral na supply chain at base ng paggawa. At mas madali pang palitan lamang ang cathode kaysa buuin muli ang mga pabrika ng baterya mula sa simula upang mag-accommodate ng mga bagong kimika. Kaya, ang pagpapabuti ng lithium-ion ay maaaring magkaroon ng malaking kahulugan mula sa pananaw ng negosyo.

Mahalagang tandaan din na ang mga organikong cathode ay napag-usapan para sa iba pang uri ng baterya, halimbawa, para sa aluminum-ion, sodium/potassium-ion, zinc, o calcium-based dual-ion na mga baterya. Kaya, posible na ang pagtuklas ng mga katangian ng TAQ ay maiaaplay sa iba pang uri ng baterya bukaside sa lithium-ion.

Sa anumang kaso, ang mga organikong sangkap sa mga baterya ay magpapadali sa pag-recycle nito, isang isyu (isang pagkakataon sa pamumuhunan) na aming sinuri nang malalim sa aming artikulong “Addressing the Li-ion Dilemma: Disposing of Defunct Battery Cells in an Increasingly Electrified World“.

Mga Kumpanya ng Organikong Cathode

Volkswagen AG

Ang pananaliksik ni Prop. Mircea Dincă ay pinondohan ng Automobili Lamborghini S.p.A., isang subsidiary ng Audi, na pag-aari ng Volkswagen Group. Isang aplikasyon ng patente para sa teknolohiyang organikong cathode ay naisumite na.

Ang Germanong tagagawa ng sasakyan ay ang pangalawang pinakamalaking tagagawa ng kotse sa mundo, sa likod lamang ng Toyota. Ang kumpanya ay, sa isang panahon, nahuhuli sa teknolohiyang EV ngunit nagsikap nang husto upang makahabol mula noon, partikular sa pamamagitan ng ID car series at maraming hybrid na modelo.

Pinagmulan: Volkswagen

Sa 2033, ang Volkswagen Group ay nagbabalak na mag-produce lamang ng mga EV sa Europa.

Ang pakikipagtulungan sa mga mananaliksik ng MIT ay isa lamang sa marami, kasama ang iba pang pakikipagsosyo hinggil sa EVs kabilang ang:

• Isang pakikipagtulungan sa Renault para sa isang 20,000-euro na EV.
• Isang $700M na pamumuhunan sa Chinese Xpeng upang mapalakas ang benta ng EV sa China.
• Isang pakikipagtulungan sa Chinese SAIC Motor upang mag-supply ng EV platforms sa Volkswagen.
• Isang pakikipagtulungan sa Jetta Motor para sa pagkuha ng teknolohiyang EV.
• Isang $492M na pakikipagtulungan sa Magna upang buhayin muli ang iconic na Scout SUVs bilang isang EV

Sa kanyang ambisyosong plano hinggil sa mga EV at pag-access sa advanced na teknolohiyang EV mula sa mga nangungunang kumpanyang Tsino, ang Volkswagen ay nasa magandang posisyon upang tingnan ang patented na teknolohiyang organikong cathode ng MIT at magtrabaho sa pag-deploy nito sa sukat sa mga susunod na EV nito.

Iba pang mga Kumpanya ng Organikong Baterya

Bagaman hindi sila nagde-develop ng mga bagong cathode, dalawang startup ang nagtatrabaho sa paggamit ng mga organikong compound upang mapabuti ang pagganap ng anode, Store Dot at EnergyX.