Jednostavno rečeno
Istraživači su pronašli način da se tečni sastojci baterije na sobnoj temperaturi pretvore u čvrst materijal nalik gelu. Tako bi se tokom proizvodnje dijelovi baterije mogli manje oštetiti, a ispitana veća ćelija pokazala je obećavajuće rezultate. Ipak, prije praktične upotrebe treba riješiti još jedno važno pitanje: kako baterija može dobro raditi i na niskim temperaturama?
Zašto bateriji treba blaži postupak?
Uobičajene baterije s litijum-jonskom tehnologijom približavaju se granici količine energije koju mogu praktično pohraniti. Uz to, tečnost u njima izaziva zabrinutost zbog mogućeg curenja i zapaljenja. Baterije s metalnim litijumom i polučvrstim elektrolitom mogle bi ponuditi više energije i bolju sigurnost, ali njihova proizvodnja ima zahtjevan korak: početnu tečnost treba ravnomjerno pretvoriti u gel unutar baterije, a toplota potrebna za pokretanje reakcije ne smije oštetiti elektrode.
Zašto bateriji treba blaži postupak?
Jedna od prednosti baterija s metalnim litijumom jeste njihov anodni kapacitet, koji u teoriji iznosi 3860 miliamper-sati po gramu. Osim toga, mogu se koristiti katode bogate litijumom i manganom, čiji kapacitet prelazi 250 miliamper-sati po gramu. Kada se te mogućnosti spoje u jednoj ćeliji, otvara se put ka većoj količini pohranjene energije nego kod uobičajenih litijumskih tehnologija, čija se praktična energetska gustina približava 300 vat-sati po kilogramu.
Međutim, sami visoki kapaciteti nisu dovoljni da bi baterija dobro radila. Dodir metalnog litijuma s elektrolitom — materijalom kroz koji se joni kreću između elektroda — mora stvarati stabilne i ravnomjerne granične slojeve. Ako ti slojevi nastanu neujednačeno, elektrode se mogu oštetiti, a sposobnost ćelije da podnosi ponovljene cikluse može oslabiti. Zato istraživači pokušavaju pripremiti elektrolit unutar same ćelije: pokreću hemijsku reakciju koja tečnu smjesu pretvara u polučvrsti gel priljubljen uz unutrašnje površine.
Jedan od ranijih pristupa podrazumijevao je zagrijavanje sastojaka na više od 60 stepeni Celzijusa, uz hemijski inicijator zvan azobisizobutironitril, odnosno AIBN. Toplota ubrzava pokretanje reakcije, ali može izazvati naglo stvrdnjavanje, uz pojačano nakupljanje toplote i stvaranje gasa. Može dovesti i do neujednačenih slojeva na anodi i katodi te do propadanja materijala elektroda. Izazov je, dakle, pronaći ravnotežu: zagrijati smjesu dovoljno da reakcija počne, ali ne toliko da se ošteti struktura koju bi elektrolit trebalo da štiti.
Pokretanje reakcije bez peći
U istraživanju koje je 20. jula 2026. objavljeno na internetu u časopisu eScience, tim s Nankai University i Haihe Laboratory of Sustainable Chemical Transformations u Tianjinu u Kini predložio je način da se radikalska polimerizacija pokrene na sobnoj temperaturi. Ideja nije bila zamijeniti sve sastojke baterije, već olakšati molekulima monomera da započnu reakciju. Tako se gel može formirati unutar baterije, bez oslanjanja na visoku temperaturu.
Istraživači su odabrali akrilni spoj pentaeritritol tetra akrilat, skraćeno PETEA, kao monomer koji se povezuje i stvara polimernu mrežu. Za pokretanje polimerizacije upotrijebili su AIBN, a dodali su i aktivator tris(pentafluorofenil)boran, skraćeno TPFPB. Aktivator se isticao visokom maksimalnom vrijednošću elektrostatičkog potencijala na površini molekule, osobinom koja opisuje raspored naboja na toj površini i pomaže u razumijevanju načina na koji molekula reaguje s drugim jedinjenjima.
Prema hemijskom objašnjenju istraživačkog tima, TPFPB se veže za karbonilnu grupu u PETEA-i. Ta veza mijenja raspored elektrona u monomeru i čini dvostruku vezu između dva atoma ugljika sklonijom učešću u reakciji. Jednostavnije rečeno, aktivator priprema mjesto na kojem reakcija može početi, pa za stvaranje polimernih lanaca nije potrebno mnogo toplote. Cilj nije samo dobiti gel u posudi, već omogućiti da se on formira i u porama i uskim prostorima između dijelova baterije.
Mjerenja su podržala ovo objašnjenje na više načina. U analizi nuklearnom magnetnom rezonancijom izotopa bora-11, signal bora promijenio se s minus 0,07 na plus 0,66 dijelova na milion nakon reakcije sa sastojcima. Proračuni teorije funkcionala gustine pokazali su i da je energetska prepreka za pokretanje reakcije pala s 0,46 elektronvolti na 0,11 elektronvolti. Istraživači su ovim promjenama željeli omogućiti polimerizaciju na sobnoj temperaturi, a postupak su ispitali u posudama i malim dugmastim ćelijama.
Šta se promijenilo unutar ćelije?
Jedno od najvažnijih mjesta na kojima se ispituju baterije jeste granica između elektrolita i svake od elektroda. To nisu samo dodirne površine različitih materijala: na njima nastaju tanki slojevi koji utiču na kretanje jona i stabilnost reakcija. U ćelijama s elektrolitom pripremljenim na sobnoj temperaturi, označenim kao RT-QSE, nastali su ravnomjerniji međuslojni slojevi bogati litijum-fluoridom. Među njima su međupovršina čvrstog elektrolita i litijuma, poznata kao SEI, te međupovršina katode i elektrolita, poznata kao CEI.
Ovakva ujednačenost mogla bi pomoći da se kretanje litijuma rasporedi po većoj površini, umjesto da se usmjerava u malobrojne tačke. U ponovljenom testu taloženja i uklanjanja litijuma, ćelija je ostala stabilna duže od 1200 sati. Test je proveden pri gustini struje od 0,5 miliampera po kvadratnom centimetru i površinskom kapacitetu od 1,0 miliamper-sati po kvadratnom centimetru. Rezultat važi za navedene uslove i sam po sebi ne pokazuje koliko bi baterija trajala u svim vrstama upotrebe, ali ukazuje da je formirana međupovršina u ovom testu izdržala dug rad u ponovljenim ciklusima.
Tim je uporedio i mehaničke osobine sloja SEI, koristeći mikroskopiju atomskih sila i analizu prema modelu Derjagin–Muller–Toporov, skraćeno DMT. Modul sloja dobijenog elektrolitom pripremljenim na sobnoj temperaturi bio je veći nego kod uzorka pripremljenog zagrijavanjem. To je pokazatelj izmjerene krutosti sloja, osobine koja bi mogla uticati na to koliko dobro sloj ostaje cjelovit dok elektrode mijenjaju zapreminu tokom punjenja i pražnjenja.
Razlika se pokazala i na katodi bogatoj litijumom i manganom, označenoj kao LRMO. Zapažanja su pokazala da je njena kristalna struktura ostala stabilnija u ćelijama s elektrolitom pripremljenim na sobnoj temperaturi, bez šupljina ili nedostajućih atoma uočenih u opisanom poređenju. Nasuprot tome, površine uzorka polimeriziranog zagrijavanjem djelovale su neurednije, a međupovršine su bile manje ujednačene. Ultrazvučno snimanje pokazalo je i bolje prodiranje elektrolita u elektrodu. To je posebno važno kod debelih katoda, u kojima nije dovoljno da elektrolit dodiruje samo vanjsku površinu.
Od male ćelije do ćelije od nekoliko amper-sati
Istraživači nisu ostali samo na dugmastim ćelijama. Pripremili su LRMO katodu površinskog kapaciteta od 4 miliamper-sata po kvadratnom centimetru, koja je nakon 100 ciklusa zadržala 95,1% kapaciteta. Ovo mjerenje pokazuje koliko je ćelija održala svoje osobine tokom ponovljenog punjenja i pražnjenja u konkretnim uslovima testa. Ne znači, međutim, da će svaka komercijalna baterija automatski postići isti rezultat: na performanse utiču sastav i dimenzije ćelije, temperatura, brzina punjenja i drugi faktori.
Najvažniji korak ka većim dimenzijama bila je izrada ćelije u vrećastom kućištu kapaciteta 9,53 amper-sata. U njoj je bila LRMO katoda površinskog kapaciteta većeg od 10 miliamper-sati po kvadratnom centimetru, što je predstavljalo ozbiljniji test sposobnosti elektrolita da prodre u gustu elektrodu, a ne samo da djeluje u tankom sloju. Ćelija je zabilježila energetsku gustinu od 656,6 vat-sati po kilogramu, uz početnu Kulonovu efikasnost od 94,4%. Početna efikasnost pokazuje koliki se dio unesene električne energije može vratiti u prvom ciklusu, pa daje podatak o ranom gubitku energije na početku rada.
Ovi rezultati privlače pažnju zato što su ostvareni u ćeliji u vrećastom kućištu, a ne samo ispitivanjem izdvojenog materijala, i zato što je upotrijebljena katoda velikog površinskog kapaciteta. Ipak, energetsku gustinu treba posmatrati kao rezultat eksperimentalne ćelije izrađene prema uslovima istraživanja, a ne kao obećanje o performansama baterija za automobile, avione ili elektroenergetske mreže. Put od uspješnog laboratorijskog uzorka do proizvoda podrazumijeva ponovljivu proizvodnju, upravljanje toplotom, sigurnost, dug vijek trajanja i prihvatljivu cijenu, kao i provjere u stvarnim uslovima upotrebe.
Šire pravilo za dizajn baterija
Autori smatraju da se vrijednost aktivatora ne svodi samo na ubrzavanje reakcije s konkretnim monomerom PETEA. Osobina na koju su se oslonili — visoki ESPmax — mogla bi pomoći pri izboru drugih kombinacija aktivatora i monomera koji međusobno odgovaraju. To bi omogućilo da se sastav prilagodi vrsti elektrode ili dizajnu ćelije. Ipak, riječ je o mogućem pristupu koji treba dodatno ispitati za svaku kombinaciju: uspjeh s određenim materijalima ne dokazuje da će svaki akrilni monomer ili svaki aktivator reagovati na isti način.
Eksperiment nudi drugačiji način razmišljanja o problemu koji se često rješavao povećanjem temperature. Umjesto da se monomer zagrijavanjem primora da reaguje, njegova svojstva mogu se prilagoditi na molekularnom nivou kako bi polimerizacija lakše počela. Ako se postupak bude mogao dosljedno kontrolisati, mogao bi pomoći u stvaranju ravnomjernijih međupovršina unutar debelih elektroda i smanjiti razlike u stvrdnjavanju među različitim dijelovima ćelije. To je naročito važno pri prelasku na veće ćelije u vrećastom kućištu, jer je teže osigurati da toplota i sastojci podjednako dopru do svakog njihovog dijela.
Moguće primjene uključuju električna vozila, letjelice za let na malim visinama i skladištenje električne energije u elektroenergetskim mrežama. U tim oblastima korisna bi bila kombinacija veće količine energije i bolje sigurnosti. Međutim, istraživanje ne pokazuje da su ove primjene već spremne. Performanse debelih elektroda na niskim temperaturama još treba poboljšati. Istraživači su naveli da bi se taj nedostatak mogao ublažiti izmjenama katode i prilagođavanjem strukture plastifikatora. To je važno zato što baterija koja dobro radi na umjerenoj temperaturi ne mora zadržati iste performanse u hladnom okruženju.
Zaključak
Ovo istraživanje bavi se jednim konkretnim izazovom baterija s metalnim litijumom: kako omogućiti da se gelasti elektrolit formira unutar ćelije, bez jakog zagrijavanja koje može oštetiti elektrode i njihove međupovršine. Dodavanjem TPFPB-a u sistem PETEA i AIBN, tim je pokrenuo polimerizaciju na sobnoj temperaturi. Taj postupak povezan je sa smanjenjem energetske prepreke za početak reakcije s 0,46 na 0,11 elektronvolti i s ujednačenijim međupovršinama u opisanim testovima.
Rezultati obuhvataju stabilnost dužu od 1200 sati u testu taloženja i uklanjanja litijuma, zadržavanje 95,1% kapaciteta nakon 100 ciklusa kod katode površinskog kapaciteta od 4 miliamper-sata po kvadratnom centimetru, te ćeliju u vrećastom kućištu kapaciteta 9,53 amper-sata. Ta ćelija ostvarila je 656,6 vat-sati po kilogramu i početnu Kulonovu efikasnost od 94,4%. Riječ je o obećavajućim pokazateljima da bi se pristup mogao primijeniti i na veće ćelije, ali ne i o završenom putu do komercijalne baterije. Prije procjene koliko je tehnologija blizu svakodnevnoj upotrebi, potrebno je poboljšati rad na hladnoći i potvrditi da se postupak može pouzdano primijeniti u širokoj proizvodnji.