Tri istraživača koji su razvili tehnologiju u srcu ere pametnih telefona – i njezine rezultirajuće društvene transformacije – dobili su Nobelovu nagradu za kemiju 2019. Rad Johna B. Goodenougha, M. Stanleya Whittinghama i Akire Yoshina napravio je ključni napredak u litij-ionskim baterijama, koje pohranjuju velike količine energije u malim baterijskim ćelijama te se brzo i lako pune.
Sony je prvi komercijalno prodao 1991. godine za svoje kamkordere, te su ove vrste baterija dobre za mnogo više od prijenosne potrošačke elektronike. Oni su u središtu dviju drugih tehnoloških revolucija sa snagom da transformiraju društvo: prijelaz s motora s unutarnjim izgaranjem na električna vozila i prelazak s električne mreže koju pokreću fosilna goriva na generatore obnovljive energije koji pohranjuju višak električne energije u baterije za buduća upotreba.
Pa kako ove baterije rade? Znanstvenici i inženjeri proveli su čitavu karijeru pokušavajući izgraditi bolje baterije i još uvijek postoje misterije koje ne razumijemo u potpunosti. Poboljšanje baterija zahtijeva od kemičara i fizičara da sagledaju promjene na atomskoj razini, kao i od inženjera strojarstva i elektrotehnike koji mogu dizajnirati i sastaviti baterije koje napajaju uređaje. Kao znanstvenik za materijale na Sveučilištu Washington i Pacific Northwest National Lab, moj rad je pomogao u istraživanju novih materijala za litij-zračne baterije, magnezijeve baterije i naravno litij-ionske baterije.
Razmotrimo dan u životu dva elektrona. Jednog ćemo od njih nazvati Alex i on ima prijatelja po imenu George.
Anatomija baterije
Alex živi unutar standardne alkalne AA baterije, poput vaše svjetiljke ili daljinskog upravljača. Unutar AA baterije nalazi se pretinac ispunjen cinkom, a drugi pretinac napunjen mangan oksidom. Na jednom kraju samo cinkslabo visi o elektronimapoput Alexa. S druge strane, manganov oksidsnažno vučeelektrona prema sebi. Između, zaustavljanja elektrona da idu izravno s jedne strane na drugu, nalazi se komad papira natopljen otopinom kalija i vode, koji koegzistiraju kao pozitivni ioni kalija i negativni ioni hidroksida.
Kada se baterija stavi u uređaj i uključi, unutarnji krug uređaja je dovršen. Alex biva izvučen iz cinka, kroz strujni krug u manganov oksid. Usput, njegovo kretanje pokreće uređaj, ili žarulju ili bilo što što je spojeno na bateriju. Kad Alex ode, ne može se vratiti: cink koji je izgubio elektron veže se s hidroksidom kako bi nastao cink oksid. Ovaj spoj je iznimno stabilan i ne može se lako pretvoriti natrag u cink.
S druge strane baterije, manganov oksid dobiva atom kisika iz vode i ostavlja hidroksidne ione kako bi uravnotežio hidroksid koji troši cink. Nakon što su svi Alexovi susjedi napustili cink i prešli na manganov oksid,baterija je istrošenai treba ga reciklirati.
Litij-ionske prednosti
Usporedimo ovo s Georgeom, koji živi u litij-ionskoj bateriji. Litij-ionske baterije imaju iste osnovne građevne blokove kao alkalne AA ćelije, s nekoliko razlika koje daju velike prednosti.
George živi u grafitu, koji je čak i slabiji od cinka u zadržavanju elektrona. A drugi dio njegove baterije je litij kobalt oksid, koji povlači elektrone mnogo snažnije od manganovog oksida – što njegovoj bateriji daje mogućnost pohranjivanja puno više energije u istoj količini prostora od alkalne baterije. Otopina koja razdvaja grafit i litij kobalt oksid sadrži pozitivno nabijene litijeve ione, koji lako stvaraju i razbijaju kemijske veze dok se baterija prazni i puni.
