Uus rauaaeg laseks liitiumakud palju odavamaks muuta

Uued akud võivad saada koobaltivabaks, kuna seda saab asendada väga levinud ja odava metalli - rauaga. Foto: Pixabay

Mis juhtuks, kui tavaline element, mitte aga kallid ja haruldased materjalid, oleks elektriautode akude võtmekomponent? Eks loomulikult see, et elektriautod ja nende akupakid muutuksid palju odavamaks.

Oregoni osariigi ülikooli keemiateadlase juhitud koostööprojekt püüab algatada rohelist akurevolutsiooni, näidates, et tavalist rauda saab kasutada liitiumioonakude katoodimaterjalina koobalti ja nikli asemel.

Ajakirjas Science Advances avaldatud leiud on mitmel põhjusel olulised, märkis Oregoni osariigi ülikooli teadlane Xiulei «David» Ji.

«Oleme muutnud raua, kõige odavama metalli keemilist reaktiivsust,» ütles ta, «meie elektrood võib pakkuda suuremat energiatihedust kui elektrisõidukite tipptasemel katoodimaterjalid. Kuna kasutame rauda, mille hind on alla dollari kilogrammi kohta – murdosa nikli ja koobaltikuludest, mis on hädavajalikud praegustes suure energiatihedusega liitiumioonakudes – on meie akude maksumus tõenäoliselt palju madalam.»

Praegu moodustab katood umbes 50 protsenti liitiumioonakuelemendi valmistamise maksumusest, ütles Ji. Lisaks majanduslikele eelistele muudaks rauapõhised katoodid akud turvalisemaks ja jätkusuutlikumaks.

Kuna üha rohkem liitiumioonakusid toodetakse transpordi elektrifitseerimiseks, on nõudlus nikli ja koobalti järele järsult tõusnud. Ji märgib, et mõne aastakümne jooksul ennustatakse suuremat nikli ja koobalti puudujääki, mis pidurdab akude tootmist praegusel kujul.

Lisaks on nende elementide energiatihedus juba jõudnud oma laeni – kui seda veelgi suurendada, võib laadimise ajal vabanev hapnik põhjustada akude süttimist. Pealegi on koobalt mürgine, mis tähendab, et see võib prügilatest lekkides saastada loodust ja veeallikaid.

Oregoni ülikooli keemiateadlase David Ji juhitud teadustöö loodab käivitada rohelise aku revolutsiooni, näidates, et liitiumioonakudes saab katoodmaterjalina kasutada koobalti ja nikli asemel rauda. Foto: Xiulei «David» Ji / Oregoni ülikool

Kõike seda arvesse võttes on Ji sõnul lihtne mõista praegu toimuvat ülemaailmset otsingut uute, jätkusuutlikumate akukeemia lahenduste leidmiseks.

Aku salvestab energiat keemilise energia vormis ja muundab selle reaktsioonide kaudu tagasi elektrienergiaks, mida on vaja sõidukite, aga ka mobiiltelefonide, sülearvutite ja paljude teiste seadmete ja masinate toiteks. On olemas mitut tüüpi akusid, kuid enamik neist töötab samal põhimõttel ja sisaldab samu põhilisi komponente.

Aku koosneb kahest elektroodist – anoodist ja katoodist, mis on tavaliselt valmistatud erinevatest materjalidest, ning separaatorist ja elektrolüüdist ehk keemilisest keskkonnast, mis lubab elektrilaengul ühelt elektroodilt teisele «voolata». Aku tühjenemise ajal voolavad elektronid anoodist välisahelasse ja kogunevad seejärel katoodi.

Nagu nimigi ütleb, liigub liitiumioonakudes laeng liitiumioonide kaudu, kui need liiguvad tühjenemise ajal elektrolüüdi kaudu anoodist katoodi ja laadimise ajal tagasi.

«Meie rauapõhist katoodi ei piira ressursipuudus,» ütles Ji, selgitades, et raud, lisaks sellele, et see on massi järgi kõige levinum element Maal, on ka maakoores neljas kõige rikkalikumalt leiduv element. «Meie rauavarud ei lõpe enne, kui Päike muutub punaseks hiiglaseks.»

Ji ning koostööpartnerid mitmest ülikoolist ja riiklikust laborist suurendasid oma katselises katoodis raua reaktiivsust, kujundades keemilise keskkonna fluori ja fosfaadi anioonide segul ehk selliste ioonidega, millel on negatiivne laeng.

Segu, mis on põhjalikult segatud tahke lahusena, võimaldabki peene rauapulbri, liitiumfluoriidi ja liitiumfosfaadi pöörduvat muundumist rauasooladeks – mis tähendab, et akut saab laadida.

«Oleme näidanud, et materjalide kujundamine anioonidega võib murda energiatiheduse lae akudel, mis on jätkusuutlikumad ja odavamad,» ütles Ji, «me ei kasuta rauaga koos mõnda kallimat soola – ainult neid, mida akutehas on seni kasutatud, ja siis rauapulbrit. Selle uue katoodi rakendamiseks ei pea midagi muud muutma – ei ole vaja uusi anoode,  uusi tootmisliine ega uut akudisaini. Me lihtsalt asendame ühe asja, katoodi.»

Ji sõnul vajab säilitusvõime siiski endiselt täiustamist. Praegu pole kogu laadimise ajal akusse pandud elekter tühjenemise ajal kasutatav. Kui need täiustused tehakse, ja Ji usub, et need peagi tulevad, siis on tulemuseks aku, mis töötab palju paremini kui praegu kasutatavad, olles samal ajal odavam ja rohelisem.

«Kui sellesse tehnoloogiasse investeeritakse, ei tohiks kaua aega võtta, kuni see kommertskasutusse jõuab,» ütles Ji, «me vajame tööstusse visionääre, kes eraldaksid ressursse sellele tekkivale valdkonnale. Maailmas võiks olla katooditööstus, mis põhineb metallil, mis on peaaegu tasuta, võrreldes koobalti ja nikliga. Ja kuigi koobaltit ja niklit on väga raske taaskasutada, ei pea rauda isegi taaskasutama – see muutub lihtsalt roosteks.»

Uuringut rahastas USA Energiaministeeriumi Põhienergia Teaduste Programm (Basic Energy Sciences program), mida kaasjuhtis Tongchao Liu Argonne’i riiklikust laborist (Argonne National Laboratory) ning kuhu kuulusid ka Oregoni riikliku ülikooli teadlased Mingliang Yu, Min Soo Jung ja Sean Sandstrom. Teadlased Vanderbilti ülikoolist (Vanderbilt University), Stanfordi ülikoolist (Stanford University), Marylandi ülikoolist (University of Maryland), Lawrence Berkeley riiklikust laborist (Lawrence Berkeley National Laboratory) ja SLACNational Accelerator Laboratoryst aitasid samuti kaasa.

Allikas: Oregoni ülikool, Eurekalert, Science Advances