Disordered Rock Salt: Paano Ang Pagtugon Sa Mobility Ng Oksiheno Ang Nagdala Ng Breakthrough Sa Teknolohiyang Baterya

Ang pangangailangan para sa mga baterya ay lumalago sa buong mundo, pinapalakas ng kanilang patuloy na paggamit sa industriya ng sasakyan, ang tumataas na kasikatan ng mga portable na consumer electronics, at mahigpit na mga regulasyong pangkapaligiran. Bilang resulta, ang pandaigdigang merkado ng baterya ay inaasahang aabot sa $800 bilyon pagsapit ng 2036, tumaas mula sa humigit-kumulang $120 bilyon noong 2023.inaasahang na aabot sa $800 bilyon pagsapit ng 2036, tumaas mula sa humigit-kumulang $120 bilyon noong 2023.

Sa harap ng inaasahang paglago na ito, patuloy na nagde-develop at sumusubok ang mga mananaliksik ng mga bagong materyales at kemikal upang mapabuti ang mga kritikal na bahagi ng mga baterya, na nakakaapekto sa mga katangian tulad ng enerhiya na inilalabas, imbakan ng enerhiya, kapasidad ng kapangyarihan, at kapasidad ng pag-ikot.

Kasama sa mga komponenteng ito ang cathode (positibong elektrod), anode (negatibong elektrod), electrolyte (para sa transportasyon ng ion sa pagitan ng mga elektrod), at separator.

Karamihan sa mga kagamitang pinapagana ng baterya ngayon, tulad ng mga EV, smartphone, at mga sistema ng imbakan ng enerhiya, ay umaasa sa teknolohiyang lithium-ion. Ang mga lithium-ion na baterya ay maaaring mag-imbak ng napakalaking dami ng enerhiya sa compact na sukat, mabilis mag-charge, at tumatagal nang matagal.

Gayunpaman, sa pagtaas ng pangangailangan para sa mga bateryang may mas mataas na kakayahan, nagsasagawa ng pananaliksik at pag-develop ng mga bagong teknolohiya upang mapabuti ang kahusayan, mabawasan ang gastos, mapahusay ang kaligtasan, at itaguyod ang sustainability.

Sa paglipas ng mga taon, ang patuloy na pananaliksik ay nagdala ng mga pag-unlad na nag-aalok ng mga pangakong alternatibo sa mga lithium-ion at lead-acid na baterya.

Nag-aalok ang mga sodium-ion na baterya ng mas abot-kayang at mas ligtas na opsyon na mas mahusay ang pagganap sa mababang temperatura. Ang mga bateryang ito ay katulad ng mga lithium-ion na baterya ngunit gumagamit ng tubig-dilaw na electrolyte, na ginagawa silang mas angkop para sa imbakan ng enerhiya, bagaman hindi pa ito ganap na na-optimize. Gumagamit pa nga ang mga mananaliksik ng electrolyte gel upang gawing mas matibay ang mga nanowire at angkop para sa paggamit sa baterya.

Solid-state batteries, sa kabilang banda, ay gumagamit ng solid electrolyte tulad ng salamin, ceramic, o polymer imbis na gel o liquid electrolyte. Ang mga bateryang ito ay mas napakaepektibo, mas magaan, at mas mabilis mag-charge, at ay ginagamit na sa mga smartphone at pacemaker. Ang Toyota at BMW ay kasalukuyang nagtatrabaho sa paglulunsad ng mga sasakyan na pinapagana ng solid-state na baterya, bagaman aabutin pa ng ilang taon.

Kasama pa sa mga bagong teknolohiya ng baterya ang lithium-sulfur na baterya, na matipid ngunit may limitasyon sa tibay, at cobalt-free na lithium-ion na baterya, na makakatulong tugunan ang mga isyu sa karapatang pantao sa pagmimina ng cobalt. Gayunpaman, mga alternatibo tulad ng TAQ ay bago pa lamang at nangangailangan ng karagdagang pagsubok.

Ang mga zinc-based na baterya ay sinusuri rin, na may mga teknolohiya tulad ng zinc-manganese dioxide, zinc-air, zinc-bromine, at zinc-ion na baterya. Gayunpaman, ito ay hindi epektibo, kung minsan ay nagdudulot ng hindi inaasahang kemikal na reaksyon, at mahal gawin, kaya nangangailangan ng karagdagang pananaliksik.

Habang patuloy na umaasa ang mundo sa mga baterya, ang mga siyentipiko sa buong mundo ay nakatuon sa pag-abot ng mga breakthrough sa oras ng imbakan, output ng kapangyarihan, gastos sa produksyon, at agarang kahandaan.

Pinakabagong Breakthrough sa Baterya: Rock Salt-polyanion Cathodes 

Ang bagong pananaliksik ay nagdala ng pag-unlad sa pagpapataas ng praktikal na energy density ng baterya. Nailathala sa Nature Energy noong huling buwan, ang pag-aaral na pinamagatang “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” ay isinagawa ng MIT Department of Nuclear Science and Engineering.

Ang pag-aaral ay nakatuon sa isang bagong materyal ng cathode na natagpuan sa disordered rock salt, na pinag-aralan bilang isang advanced na materyal ng cathode para magamit sa mga lithium-ion na baterya sa loob ng higit isang dekada. 

Siniguro ng mga mananaliksik ng MIT na ang materyal ay maaaring lumikha ng mataas na enerhiya, mababang gastos na imbakan para sa mga EV, mobile phone, at imbakan ng renewable na enerhiya.

Pinamunuan ni Ju Li, ang propesor ng Tokyo Electric Power Company sa Nuclear Engineering, natuklasan ng koponan ang DRXPS, o disordered rock salt-polyanionic spinel, bilang bagong materyal.

Ang bagong kategoryang ito ng bahagyang disordered rock salt cathode, na pinagsama sa mga polyanion, ay natuklasang nagbibigay ng mataas na energy density sa mataas na boltahe na may pinahusay na katatagan sa pag-ikot. Isang malaking tagumpay ito, dahil karaniwang may trade-off sa pagitan ng energy density at katatagan sa pag-ikot sa mga materyal ng cathode.

“Sa gawaing ito, layunin naming itulak ang hangganan sa pamamagitan ng pagdidisenyo ng mga bagong kimika ng cathode.”

– Yimeng Huang, ang unang may-akda ng papel, isang postdoc sa NSE

Ngayon, paano nagagawa ng bagong pamilya ng materyal na makamit ang parehong mataas na energy density at mahusay na katatagan sa pag-ikot? Ang sagot ay nasa pagsasama ng dalawang pangunahing materyal ng cathode — rock salt at polyanionic olivine. Sa pamamagitan ng pagsasama nila, nakuha ang parehong benepisyo.

Isa pang bagay na gumagana dito ay ang manganese (Mn), isang matigas, pilak na metal na sagana sa Daigdig at mas mura kaysa sa iba pang mga elemento na kasalukuyang ginagamit sa mga cathode ngayon. 

Halimbawa, ang Manganese ay halos tatlumpung beses na mas mura kaysa sa Cobalt (Co) at limang beses na mas mura kaysa sa Nickel (Ni), na parehong karaniwang ginagamit sa mga baterya. Bukod dito, ang Manganese ay may mahalagang papel sa pag-abot ng mas mataas na energy density. 

“(Ang pagkakaroon ng ganitong) materyal na mas sagana sa kalikasan ay isang napakalaking bentahe.”

– Li, isang propesor ng materials science and engineering

Ang bentahe na ito, ayon sa mga mananaliksik, ay may malaking halaga para sa isang zero-carbon na hinaharap na nangangailangan ng imprastruktura ng renewable na enerhiya. 

Maaaring gumanap ang mga baterya ng mahalagang papel sa transisyong ito, na may potensyal na i-decarbonize ang transportasyon sa pamamagitan ng mga electric vehicle at tugunan ang intermittency ng solar at wind power. Dahil ang mga renewable energy source na ito ay hindi available 24/7, mahalaga ang imbakan ng enerhiya upang magbigay ng kuryente sa mga oras na hindi available ang mga ito, tulad ng sa gabi o sa maulap at tahimik na mga araw.

Binibigyang-diin din ng mga mananaliksik na ang mga materyal tulad ng cobalt at nickel ay medyo bihira at mahal. Ang paggamit ng mga ito upang mabilis na palakihin ang kapasidad ng imbakan ng kuryente ay maaaring magdulot ng malalaking pagtaas sa gastos at posibleng malalaking kakulangan sa mga materyales. Ayon kay Li:

“Kung nais nating magkaroon ng tunay na electrification ng paglikha ng enerhiya, transportasyon, at iba pa, kailangan natin ng mga bateryang sagana sa kalikasan upang mag-imbak ng intermittent photovoltaic at wind power. Sa palagay ko ito ay isa sa mga hakbang patungo sa pangarap na iyon.”

Pagtagumpayan ang Hamon ng Mobility ng Oksiheno sa Kasalukuyang mga Materyales

Pinondohan ng Honda Research Institute USA Inc. at ng Molecular Foundry sa Lawrence Berkeley National Laboratory, tinugunan ng pag-aaral ang isa sa mga pangunahing hamon na kinahaharap ng mga disordered rock salt cathode.

Tulad ng nabanggit kanina, ang materyal ay pinag-aralan para sa napakataas nitong kapasidad. Kung ihahambing sa tradisyonal na mga materyal ng cathode, na may kapasidad sa pagitan ng 190 at 200 milliampere-hours bawat gram, ang materyal na ito ay may hanggang 350 milliampere-hours bawat gram.

Gayunpaman, sa kabila ng napakataas na kapasidad, ang materyal ay hindi gaanong matatag. Ito ay bahagi dahil sa oxygen redox, isang proseso ng pagkuha ng electron density malapit sa mga atom ng oxygen sa mga materyal ng cathode. 

Ang oxygen redox ay na-activate kapag ang cathode ay na-charge sa mataas na boltahe, na ginagawang mobile ang oxygen, na nagdudulot ng mga reaksyon sa electrolyte at pagkasira ng materyal. Ito ay nagreresulta sa pagiging walang silbi ng materyal matapos ang matagal na pag-ikot.

Upang mapagtagumpayan ang mga hamong ito, nagpakilala ang mga mananaliksik ng isa pang elemento sa materyal: phosphorus (P), isang malambot, waxy na solid na kumikilos tulad ng pandikit, humahawak sa oxygen sa lugar at nagpapababa ng pagkasira ng materyal. 

Ngunit ang simpleng pagdagdag ng phosphorus ay hindi sapat. Ang tamang dami ng phosphorus ang pinakamahalagang inobasyon dito. Ang pagdagdag ng tamang dami ng P ay “bumuo ng tinatawag na polyanion kasama ang mga kalapit na atom ng oxygen sa isang cation-deficient na rock salt structure na maaaring i-pin down,” ayon kay Li.

Ang matibay na covalent bonding sa pagitan ng oxygen at phosphorus ay nagbibigay-daan sa mga mananaliksik na wakasan ang paggalaw ng oxygen. Sa ganitong paraan, nagamit nila ang kapasidad na ibinibigay ng oxygen at sabay na nakamit ang magandang katatagan.

Ang pagkakaroon ng kakayahang ito na i-charge ang mga baterya sa mas mataas na boltahe ay mahalaga dahil nagbibigay-daan ito sa mas simpleng mga sistema upang pamahalaan ang kanilang nakaimbak na enerhiya.

“Masasabing mas mataas ang kalidad ng enerhiya. Kapag mas mataas ang boltahe bawat selula, mas kaunti ang kailangang i-connect ang mga ito sa series sa battery pack, at mas simple ang battery management system.”

– Li

Ito ay simula pa lamang, dahil susuriin ng koponan ngayon ang iba’t ibang ratio ng manganese, lithium, oxygen, at phosphorus, pati na rin ang iba’t ibang kombinasyon ng iba pang mga elementong bumubuo ng polyanion tulad ng silicon, sulfur, at boron.

Sa hinaharap, susuriin din ng mga mananaliksik ang mga bagong paraan ng paggawa ng materyal, na may partikular na pokus sa scalability at morpolohiya. Ang kasalukuyang pag-aaral ay gumagamit ng high-energy ball milling para sa mechanochemical synthesis, na nagreresulta sa hindi pantay na morpolohiya at mga particle na may sukat na humigit-kumulang 150 nanometer, isang maliit na average. Bukod pa rito, ang kanilang kasalukuyang pamamaraan ay hindi talaga scalable. 

Kaya, sinusubukan na ngayon ng mga mananaliksik ang mga alternatibong pamamaraan ng synthesis upang makamit ang mas pantay na morpolohiya at mga particle na may mas malaking sukat. Makakatulong ito upang mapataas ang volumetric energy density ng materyal at maaaring payagan silang subukan ang ilang coating method na maaaring mapabuti ang pagganap ng baterya. Ang mga susunod na pamamaraan ay dapat ding maging scalable sa industriya.

Isa pang isyu ay ang conductivity, na napabuti sa pamamagitan ng pagdagdag ng malaking halaga ng carbon sa disordered rock salt na materyal. Sa katunayan, ang carbon ay bumubuo ng 20 porsyento ng bigat ng cathode paste, dahil ang materyal ay hindi talaga mahusay na konduktor.

Kaya, siyempre, masusuri pa ng mga mananaliksik ang pagbabawas ng carbon content sa electrode. Kung magagawa nila ito nang hindi isinasakripisyo ang pagganap ng baterya, maaari nilang mapataas ang praktikal na energy density sa pamamagitan ng pag-incorporate ng mas mataas na active material content sa baterya.

Para sa layuning ito, kinokonsidera nilang gumamit ng carbon nanotubes, na maaaring magpababa ng carbon content sa isa o dalawang porsyento lamang ng bigat, na magbibigay-daan sa malaking pagtaas ng active cathode material. Ang kasalukuyang pag-aaral, gayunpaman, ay gumamit ng Super P, isang conductive carbon na binubuo ng mga nanosphere, na mas hindi epektibo.

Ang isa pang pagpapabuti ay ang paggamit ng makakapal na electrodes, na magpapataas pa ng praktikal na energy density ng baterya.

Kapag na-optimize na ng koponan ang komposisyon ng materyal, nakabuo ng makakapal na electrodes, nakamit ang mas mahusay na morpolohiya para sa pantay na coating, nabawasan ang carbon content, at nagpatupad ng scalable na mga pamamaraan ng synthesis, nakikita nila ang pamilya ng DRXPS cathode bilang lubos na promising para sa mga aplikasyon sa electric vehicles, grid storage, at consumer electronics.

Mga Kumpanyang Nagpapaunlad sa Larangan ng mga Baterya

Maraming korporasyon ang tumutulong sa pagpapalago ng larangan, at kahit pa mas marami ang makikinabang mula sa mga pag-unlad na ito. 

Ang Umicore (UMICY) ay isa sa mga kumpanyang kasangkot sa mga materyales ng baterya, partikular sa mga teknolohiya ng cathode, na may pokus sa sustainable at advanced na mga materyales. Samantala, ang Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) ay isang supplier ng lithium, at ang Vale (VALE) ay nangungunang pandaigdigang tagagawa ng bakal at manganese. Ngayon, tingnan natin ang ilang iba pang kilalang pangalan:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Isang pangunahing prodyuser ng lithium, Albemarle, ay nagde-develop ng mga teknolohiya ng baterya na may mas mataas na energy density upang mabawasan ang timbang at mapahaba ang saklaw. Ito ay isa sa pinakamalaking prodyuser ng lithium sa mundo para sa mga EV baterya. Ang mga alok ng kumpanya upang matugunan ang pangangailangan para sa malinis na enerhiya ay kinabibilangan ng mga solusyon sa cathode, anode, electrolyte, at mga casing ng baterya.

Sa market cap na $9.84 bilyon, ang stock ng Albemarle ay kasalukuyang nagte-trade sa $83.66, bumaba ng 41.6% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na -4.73, P/E (TTM) na -17.67, at dividend yield na 1.94%. Sa Q2 ng 2024, ang kumpanya nag-post ng net sales na $1.4 bilyon at adjusted EBITDA na $386 milyon. Ang cash mula sa operasyon, samantala, ay $363 milyon, tumaas mula $289 milyon YoY. Naghatid din ang Albemarle ng higit sa $150 milyon sa mga benepisyo ng produktibidad.

#2. QuantumScape (QS)

Ang QuantumScape (QS ) ay isang developer ng solid-state lithium-metal na mga baterya, na naglalayong baguhin ang imbakan ng enerhiya. Ang kumpanya ay nakabuo ng kauna-unahang anode-less cell design, na nagpapababa ng gastos sa materyales at nagdadala ng mataas na energy density. Sa taong ito, nakipag-partner ang QuantumScape sa kumpanya ng baterya ng Volkswagen, ang PowerCo, na nagbigay sa kanila ng lisensya upang mass-produce ng mga baterya batay sa teknolohiyang platform ng QuantumScape.

Sa market cap na $2.75 bilyon, ang stock ng QuantumScape ay kasalukuyang nagte-trade sa $5.51, bumaba ng 19.78% YTD. Mayroon itong EPS (TTM) na -0.95 at P/E (TTM) na -5.78. Sa Q2 2024, ang kumpanya ay nag-post ng capital expenditures na $18.9 milyon, habang ang GAAP operating expenses ay $134.5 milyon. Ang liquidity ay nasa $938 milyon sa katapusan ng quarter.

Konklusyon

Dahil sa malawak na paggamit at laki ng merkado ng mga baterya, ang mga bagong at advanced na teknolohiya ng baterya ay lubos na pinag-aaralan at dine-develop. Tulad ng nakita natin sa pinakabagong pag-aaral, ang bagong materyal ng cathode ay nagpakita ng “mataas na gravimetric energy densities na higit sa 1,100 Wh kg−1 at >70% retention sa higit 100 cycles,” na nagbubukas ng pinto para sa mga cathode ng baterya na gawa sa mga elementong sagana sa kalikasan tulad ng Mn at Fe.

Dahil ang mga lithium-ion na baterya ay itinuturing na isang mahalagang bahagi ng malinis na transisyon ng enerhiya, ang mga pag-aaral tulad nito ay nagsisiguro ng patuloy na paglago at pagbaba ng presyo sa pamamagitan ng pag-develop ng “murang, mataas na performance na mga materyal ng cathode.” 

Ito ay nagmumungkahi ng isang magagarang hinaharap para sa imbakan ng enerhiya, na may potensyal na matugunan ang lumalaking pangangailangan sa buong mundo habang pinapaliit ang epekto sa kapaligiran.

I-click dito para sa listahan ng sampung nangungunang baterya na stock na maaaring pag-invest-an.