Hanya 2% kenderaan yang dihidupkan elektrik setakat ini, tetapi diproyeksikan mencapai 30% pada tahun 2030. Kunci untuk meningkatkan pengkomersialan kenderaan elektrik (EV) adalah untuk meningkatkan ketumpatan tenaga gravimetriknya — diukur dalam watt-jam per kilogram — menggunakan bahan yang lebih selamat dan mudah dikitar semula yang banyak. Logam litium dalam anod dianggap sebagai "Holy Grail" untuk meningkatkan ketumpatan tenaga dalam bateri EV berbanding dengan pilihan semasa seperti grafit pada 240 Wh / kg dalam perlumbaan untuk mencapai ketumpatan tenaga yang lebih kompetitif pada 500 Wh / kg.
Penyelidik di University of Houston menyahut cabaran ini dengan rakan-rakan Universiti Rice. Pasukan ini menunjukkan peningkatan dua kali ganda dalam ketumpatan tenaga untuk bateri lithium keadaan pepejal berasaskan organik dengan menggunakan proses yang dibantu pelarut untuk mengubah struktur mikro elektrod.
Kami sedang membangunkan bahan katod berasaskan organik kos rendah, bebas bumi, bebas kobalt untuk bateri keadaan pepejal yang tidak lagi memerlukan logam peralihan yang jarang ditemui di lombong, ”kata pasukan itu. "Penyelidikan ini adalah langkah maju dalam meningkatkan ketumpatan tenaga bateri EV menggunakan alternatif yang lebih lestari ini.
Mana-mana bateri termasuk anod, juga dikenal sebagai elektrod negatif, dan katod, juga dikenali sebagai elektrod positif, yang dipisahkan dalam bateri oleh membran berpori. Ion litium mengalir melalui konduktor ionik - elektrolit, yang memungkinkan untuk mengecas dan melepaskan elektron yang menghasilkan elektrik untuk, katakanlah, kenderaan.
Elektrolit biasanya cair, tetapi itu tidak perlu - mereka juga boleh menjadi pepejal, konsep yang agak baru. Kebaharuan ini, digabungkan dengan anod logam litium, dapat mencegah arus pendek, meningkatkan ketumpatan tenaga dan membolehkan pengecasan lebih cepat.
Katod biasanya menentukan kapasiti dan voltan bateri dan seterusnya merupakan bahagian bateri yang paling mahal kerana penggunaan bahan langka seperti kobalt — dijangka mencapai defisit 65,000 tan pada tahun 2030. Katod berasaskan kobalt hampir digunakan secara eksklusif dalam bateri keadaan pepejal kerana sangat baik prestasi; baru-baru ini bateri lithium berasaskan sebatian organik (OBEM-Li) muncul sebagai alternatif yang lebih banyak dan lebih bersih yang lebih senang dikitar semula.
Terdapat kebimbangan besar mengenai rantaian bekalan bateri lithium-ion di Amerika Syarikat. Dalam karya ini, para penyelidik menunjukkan kemungkinan membina bateri litium berketumpatan tenaga tinggi dengan mengganti katod berasaskan logam peralihan dengan bahan organik yang diperoleh dari kilang minyak atau kilang bio, yang kedua-duanya AS mempunyai kapasiti terbesar di dunia.
Katod berasaskan kobalt menghasilkan 800 Wh / kg tenaga spesifik peringkat bahan, atau voltan dikalikan dengan kapasiti, seperti bateri OBEM-Li, yang pertama kali ditunjukkan oleh pasukan dalam penerbitan mereka yang terdahulu, tetapi bateri OBEM-Li sebelumnya hanya terhad kepada pecahan jisim bahan aktif yang rendah kerana struktur mikro katod yang tidak ideal. Ini mengehadkan jumlah ketumpatan tenaga.
Pasukan ini menemui cara untuk meningkatkan ketumpatan tenaga tahap elektrod dalam bateri OBEM-Li dengan mengoptimumkan struktur mikro katod untuk peningkatan pengangkutan ion di dalam katod. Untuk melakukan ini, struktur mikro telah diubah menggunakan pelarut yang biasa — etanol. Katod organik yang digunakan ialah pyrene-4,5,9,10-tetraone atau PTO.
Katod berasaskan kobalt sering disukai kerana struktur mikro secara semula jadi ideal tetapi membentuk struktur mikro yang ideal dalam bateri keadaan pepejal berasaskan organik lebih mencabar.
Pada tahap elektrod, struktur mikro yang dibantu pelarut meningkatkan ketumpatan tenaga kepada 300 Wh / kg berbanding dengan struktur mikro kering pada suhu di bawah 180 Wh / kg dengan meningkatkan kadar penggunaan bahan aktif dengan ketara. Sebelumnya, jumlah bahan aktif dapat meningkat tetapi peratusan penggunaannya masih rendah, hampir 50%.
Sejak sepuluh tahun kebelakangan ini, kos sebanyak EV bateri merosot hampir 10% dari kos asalnya, menjadikannya boleh digunakan secara komersial. Jadi, banyak perkara boleh berlaku dalam satu dekad. Penyelidikan ini merupakan langkah penting dalam proses menuju EV yang lebih mampan dan batu loncatan untuk dekad penyelidikan seterusnya. Pada kadar ini, mungkin secara harfiah seperti eufemis, masa depan kelihatan lebih hijau di sisi lain.