Ingredientul din pasta de dinți ce ar putea crește autonomia vehiculelor electrice

Un ingredient din multe paste de dinți este fluorura de sodiu, un compus al fluorului, adăugat pentru a proteja dinții de carii. Dar ce legătură are ingredientul din pasta de dinți cu vehiculele electrice?

Compușii care conțin fluor au și alte utilizări practice, fapt ce v-ar putea surprinde. Oamenii de știință de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie (DOE) din SUA au descoperit un electrolit cu fluor care ar putea proteja bateriile din generația următoare împotriva scăderii performanței.

„O generație nouă și interesantă de tipuri de baterii pentru vehicule electrice se află la orizont”, a declarat Zhengcheng (John) Zhang, lider de grup în divizia de științe chimice și inginerie de la Argonne.

Compozițiile bateriilor non-litiu-ion oferă cel puțin de două ori mai multă energie stocată într-un anumit volum sau greutate în comparație cu bateriile litiu-ion. Noile baterii ar putea alimenta mașinile pe distanțe mai lungi și, pe viitor, ar putea alimenta chiar camioane și avioane.

Se așteaptă ca utilizarea la scară largă a unor astfel de baterii să contribuie la rezolvarea problemei schimbărilor climatice. Problema principală este că densitatea lor mare de energie scade rapid odată cu încărcarea și descărcarea repetată, scrie Tech Xplore.

Cum a ajuns ingredientul din pasta de dinți să fie folosit în baterii?

Unul dintre principalii concurenți are un anod (electrod negativ) din litiu metal în locul grafitului folosit în mod normal în bateriile litiu-ion. Așadar, se numește baterie „litiu-metal”. Catodul (electrodul pozitiv) este un oxid de metal care conține nichel, mangan și cobalt (NMC). Deși acest tip de baterie poate furniza mai mult decât dublul densității de energie posibilă cu o baterie litiu-ion, această performanță remarcabilă dispare rapid în mai puțin de o sută de cicluri de încărcare-descărcare.

Soluția echipei a implicat schimbarea electrolitului, un lichid prin care ionii de litiu se deplasează între catod și anod pentru a facilita încărcarea și descărcarea. În bateriile litiu-metal, electrolitul este un lichid format dintr-o sare care conține litiu, dizolvată într-un solvent.

Sursa problemei cu durata scurtă de viață este aceea că electrolitul nu formează un strat protector adecvat pe suprafața anodului în timpul primelor câteva cicluri. Acest strat, numit și interfaza de electrolit solid (SEI), acționează ca un gardian, permițându-le ionilor de litiu să treacă liber în și din anod pentru a încărca și, respectiv, a descărca bateria.

Cercetarea este publicată în revista Nature Communications.

Aici intră în joc ingredientul din pasta de dinți. Echipa a descoperit un nou solvent cu fluor care menține un strat protector robust timp de sute de cicluri. Acesta cuplează o componentă fluorurată care este încărcată pozitiv (cation) cu o componentă fluorurată diferită care este încărcată negativ (anion). Această combinație este ceea ce oamenii de știință numesc un lichid ionic, adică un lichid format din ioni pozitivi și negativi.

Cum funcționează acest nou tip de baterii?

„Diferența cheie în noul nostru electrolit este înlocuirea atomilor de hidrogen cu fluor în structura sub formă de inel a părții cationice a lichidului ionic. Acest lucru a făcut diferența în menținerea performanței înalte timp de sute de cicluri într-o celulă litiu-metal de testare”, a spus Zhang.

Pentru a înțelege mai bine mecanismul din spatele acestei diferențe la scară atomică, echipa s-a bazat pe resursele de calcul de înaltă performanță ale Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), o unitate a DOE Office of Science.

După cum a explicat Zhang, simulările pe supercomputerul Theta al ALCF au arătat că cationii de fluor se lipesc și se acumulează pe suprafețele anodului și ale catodului înainte de orice ciclu de încărcare-descărcare. Apoi, în timpul etapelor incipiente ale ciclării, se formează un strat SEI rezistent, care este superior celui făcut posibil de electroliții anteriori.

Microscopia electronică de înaltă rezoluție de la Argonne și de la Pacific Northwest National Laboratory a dezvăluit că stratul SEI extrem de protector de pe anod și catod a condus la cicluri stabile.

Echipa a reușit să ajusteze proporția de solvent cu fluorură în raport cu sarea de litiu pentru a crea un strat cu proprietăți optime, inclusiv o grosime SEI care nu este nici prea mare, nici prea mică. Datorită acestui strat, ionii de litiu pot curge eficient în și din electrozi în timpul încărcării și descărcării timp de sute de cicluri.

Avantajele acestor baterii

Electrolitul realizat folosind ingredientul din pasta de dinți are multe alte avantaje. Are un cost scăzut, deoarece poate fi făcut cu o puritate și un randament extrem de ridicate într-un singur pas, mai degrabă decât în mai multe etape. Este prietenos cu mediul, deoarece folosește mult mai puțin solvent, care este volatil și poate elibera contaminanți în mediu. Și este mai sigur pentru că nu este inflamabil.

„Bateriile litiu-metal cu electrolitul nostru de cationi fluorurați ar putea stimula considerabil industria vehiculelor electrice. Iar utilitatea acestui electrolit se extinde, fără îndoială, la alte tipuri de sisteme avansate de baterii”, a spus Zhang.

Vă recomandăm să citiți și:

Prima fabrică spațială din lume, lansată pe orbita Pământului cu o rachetă SpaceX

Cea mai mare centrală hidro-solară din lume, operațională în China

NASA a reciclat 98% din sudoarea și urina astronauților de pe Stația Spațială Internațională

Betonul care „aspiră” poluarea din jur ar putea fi eroul neașteptat al calității aerului