Maaaring Magbago ang mga Bateryang Lithium-Sulphur sa Tulong ng Nanocomposite Electrocatalysts at Limang Minutong Pag-charge

Mula sa Lithium‑Ion Patungo sa Lithium‑Sulphur

Sa ngayon, nangingibabaw ang mga bateryang lithium-ion sa merkado. Ito ay dahil sa mataas nilang densidad ng enerhiya at sa kalamangang nakuha mula sa malawakang paggamit at produksyon para sa mga elektronikong produktong pangkonsumo.

Nang gamitin sa ibang layunin, nagsimulang lumitaw ang mga limitasyon ng lithium-ion. Halimbawa, medyo mabagal itong i-charge, at bagaman posible ang mabilisang pag-charge, madalas nitong paikliin ang buhay ng baterya.

Matagal nang problema ng mga may-ari ng EV ang mabagal na pag-charge, at madalas itong dahilan ng pag-aatubiling lumipat sa de-kuryenteng sasakyan.

Ngayong EV ang pinakamalaking gumagamit ng mga baterya ayon sa kapasidad ng kuryente, maaaring mabilis na sumikat ang bagong kemika ng bateryang mas mabilis ma-charge at makipagkumpitensya sa lithium-ion.

Isang maaasahang bagong kemika ang lithium-sulphur. Mas mabagal pa sa lithium-ion ang pag-charge ng mga naunang disenyo, ngunit maaaring gawing limang minuto lamang ng mga bagong nanomateryal ang pag-charge ng EV na gumagamit nito.

Mga Kalamangan at Hamon ng Lithium‑Sulphur

Natuklasan ng mga mananaliksik mula sa mga unibersidad at institusyon sa Tsina at Australia—Adelaide, Tianjin, ANSTO, at Tsinghua—ang bagong teknolohiya. Inilathala ito sa Nature Nanotechnology sa ilalim ng pamagat na “Pag‑develop ng high‑power Li||S batteries sa pamamagitan ng transition metal/carbon nanocomposite electrocatalyst engineering”.

Matagal nang kilala ang lithium-sulphur sa napakataas na densidad ng enerhiya. Higit doble ang enerhiya nito kaysa karaniwang lithium-ion kapag sinusukat sa Wh/kg, o enerhiya kada yunit ng masa, at mas mahusay din kapag sinusukat sa Wh/L, o tiyak na kapasidad.

Pinagmulan: Vertex Holdings

Ang mga pangunahing humadlang sa malawakang paggamit ng mga prototype ay ang maikling buhay—isang-katlo ng lithium-ion—at napakabagal na pag-charge na umaabot sa isa hanggang sampung oras.

Malinaw na hindi ito katanggap-tanggap para sa EV, lalo na’t inirereklamo na ng mga gumagamit ang 20–30 minuto ng lithium-ion.

(Tinalakay namin ang maraming alternatibong kimika sa lithium‑ion sa aming sangguniang artikulo “Ang Hinaharap ng Mobilidad – Teknolohiya ng Baterya”).

Nagbago ang mga limitasyong ito dahil sa kamakailang tuklas na inilathala sa Nature. Nangangako ang bagong disenyo ng kahanga-hangang pagganap:

• Buhay ng hindi bababa sa 1,000 na cycle, katulad ng lithium‑ion.
• Enerhiya kada yunit ng masa na 1,306 Wh/kg, 10 beses higit kaysa sa lithium‑ion, at mas mahusay pa kaysa sa karamihan ng mga disenyo ng solid‑state na baterya.
• Cycle ng pag‑charge/pag‑discharge na mas mababa sa 5 minuto.

Pagbuo ng mga Bateryang Lithium‑Sulphur sa Nanoscale

Paano nga ba nagawa ng mga mananaliksik ang tila perpektong bateryang ito?

Una, sinuri nila sa antas ng atomo at quantum ang sulfur reduction reaction (SRR), ang mahalagang prosesong kumokontrol sa bilis ng pag-charge at pag-discharge. Gumamit sila ng particle accelerator, ang Australian Synchrotron ng ANSTO, upang matukoy nang eksakto ang pagkakapuno ng mga atomic orbital, o ang posisyon ng mga electron sa paligid ng atomo ng asupre sa mga katalistang nakabatay sa metal.

Sa tulong ng datos na ito na hindi pa nasusuri noon, nahulaan nila nang tumpak ang bilis at proseso ng SRR.

Gamit ang modelong panghula, nagdisenyo sila ng mga nanocomposite electrocatalyst mula sa carbon at iba’t ibang haluang metal na electrocatalyst, gaya ng bakal, cobalt, nickel, copper, at zinc.

Sa huli, pinili ang haluang cobalt at zinc, na nagbigay ng kahanga-hangang pagganap na inilarawan sa itaas.

Ano ang Susunod?

Ang pagbuo ng ganitong “super baterya” ay maaaring maging mahalagang pagbabago sa elektripikasyon ng ating mga sistema ng enerhiya: mula transportasyon hanggang malawakang paggamit ng renewable energy na nangangailangan ng malalakas na baterya para sa malalaking pasilidad.

Gayunman, maaga pa, at may ilang tanong na dapat sagutin bago mangibabaw ang lithium-sulphur.

Bihirang Materyales

Matagal nang sinusubukang lumayo ng mga gumagawa ng lithium-ion at EV sa mga disenyong gumagamit ng cobalt. Bihira kasi itong mineral, at ang pangunahing pinagmumulan nito ay Congo, kung saan naiugnay ang produksyon sa paggawa ng mga bata, sapilitang paggawa, at iba pang paglabag sa karapatang pantao.

Kailangang harapin din ng cobalt-zinc nanocluster sa electrocatalyst ang problemang ito.

Mga Gastos

Ang mataas na gastos sa materyales ay isa pang dahilan ng paglipat mula sa mga disenyong cobalt-based tungo sa solid-state, lithium-iron-phosphate (LFP), o sodium-ion.

Kaya maaari itong maging problema para sa cobalt-based na lithium-sulphur, kahit mas mahusay at mas mataas ang densidad ng enerhiya nito kaysa lithium-ion.

Kasabay nito, ang napakataas na enerhiya kada yunit ng masa ay nangangahulugang mas kaunting baterya ang kailangan para sa parehong layo ng biyahe ng EV.

Malaki ang mababawas nito sa bigat ng EV, dahil mahigit 25% ng kasalukuyang bigat ng sasakyan ang mga baterya. Mas magaang sasakyan, mas mahaba pa ang maaaring biyahe.

Ang magiging mapagpasyang salik ay presyo kada Wh ng lithium-sulphur at kung gaano kabigat ang maaaring ibawas sa battery pack.

Malawakang Produksyon

Maraming makabagong materyales at disenyo ng baterya ang lumitaw nitong nakaraang dekada. Ngunit hindi madaling gawing battery pack ang isang coin cell mula sa laboratoryo, at pagkatapos ay bumuo ng prosesong pangpabrika para gawin ito.

Halimbawa, ang petsa ng komersyalisasyon para sa solid‑state na mga baterya ay paulit‑ulit na naantala taon‑taon ng QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG, atbp. (QS )

Hindi ito dahil hindi gumagana ang teknolohiya. Sa halip, napakahirap patunayang kayang gumawa ng solid-state na baterya nang maramihan, mura, at walang problema sa kalidad.

Kaya malamang na marami pang hakbang bago maging komersyal na baterya ang prototype na lithium-sulphur.

Konklusyon

Mula pa noong simula, mga baterya ang mahinang bahagi ng EV. Unti-unti itong nalulutas sa pamamagitan ng malawakang pananaliksik ng mga unibersidad sa buong mundo at mga lider ng industriya gaya ng CATL, Tesla, at LG.

Hindi pa malinaw kung aling disenyo o kemika ang mangingibabaw. Mukhang solid-state ang pinakamalakas na kandidato, at maaaring lithium-sulphur ang susunod na henerasyon pagkatapos ng komersyalisasyon nito.

Maaari ring manatili ang LFP at sodium-ion para sa mga produktong inuuna ang mababang gastos kaysa mataas na pagganap.

At maaari pang magkaroon ng mas kakaibang disenyo para sa malalaking sistema ng imbakan, na may ibang pangangailangan kaysa EV: iron-air, redox, gravity, o concrete batteries, gaya ng tinalakay namin sa mga artikulong “Ang Hinaharap ng Imbakan ng Enerhiya – Teknolohiya ng Utility‑Scale na Baterya” at “Hindi Kimikal na Alternatibo sa mga Baterya para sa Transisyon ng Enerhiya”.

Anuman ang mangyari, patungo sa malawakang elektripikasyon ang mga sistema ng enerhiya. Mabilis ang pag-unlad ng teknolohiya ng baterya, na malamang mag-aalis sa huling hadlang sa malawakang paggamit ng EV at renewable energy.