Наши изследователи търсят как да заменят в батериите скъпия литий с евтиния натрий

Носителят на тазгодишната Голяма награда „Питагор“ за цялостен принос в науката е проф. Радостина Стоянова от Института по обща и неорганична химия към БАН. Тя поставя основата за развитието на ново научно направление в страната – химията на материали за чисто и достъпно съхранение на енергия. Публикациите ѝ са цитирани над 5000 пъти и Н-индекс 42. Специализирала е в Германия (в Геоинститута в Байройт и в Университета в Марбург) и в Испания (в Университета в Кордоба). Била е гостуващ професор в Бордо, Франция. Ръководила е над 20 проекта с национално  и европейско  финансиране, автор е на патент за термоелектрични материали. През 2018 г. е удостоена  с Наградата „Питагор“ за утвърден учен в областта на природните и инженерните науки и е сред първите топ 2% в класацията за водещи световни учени на Станфордския университет в област „Енергия“.

Първото желание на проф. Радостина Стоянова като малка е да стане археолог.

Но по-късно в училище се увлича по химията. Затова кандидатства в Националната природо-математическа гимназия „Акад. Любомир Чакалов“. След като я завършва, се записва във Факултета по химия и фармация на Софийския университет и там започва да се занимавам с научна дейност още от първи курс.

„Имах щастието да работя с доц. Румяна Дафинова. Тя ми даде пълна свобода да се занимавам с това, което желая. Първата ми задача бе свързана с получаване и анализи на  луминофори“, казва проф. Стоянова.

Те представляват материали на базата на фосфати, които луминесцират и се използват в осветителните тела. В своите изследвания изследователката достига до известния стронциев оксалат, който се разлага при нагряване до стронциев карбонат. Оказва се, че полученият стронциев карбонат луминесцира, тоест излъчва светлина, без да е активиран с метални йони.

„И оттук възникна въпросът защо – спомня си проф. Стоянова. – Тогава единственият начин да отговорим на този въпрос, бе да се използва един съвременен апарат за тогавашното време – електронен парамагнитен резонанс. Той беше наличен тук в Института с ръководител д-р Симеон Ангелов. Доц. Дафинова ме свърза с него, а по-късно те станаха мои научни ръководители. Задачата беше отначало да се занимавам с електронния парамагнитен резонанс. Той всъщност е „братовчед“ на ядрено-магнитния резонанс, който се използва в медицината. Ядрено-магнитният резонанс изследва ядрата. Докато другият, както подсказва името, изследва електроните. Затова има някои особености и разлики в тях.“

Екипът учени доказва, че луминесценцията се дължи не на активатори на базата на метални йони, а на едни частици – анион-радикали, които се получават в хода на разлагане на стронциевия оксалат. Това е темата на дипломната работа и по-късно и на дисертацията на Радостина Стоянова. Младият учен получава възможност през 1991 г. да посети Университета в Марбург, Германия. Там има много богата библиотека и добра база и тя успява да се запознае с много нови неща. Едно от тях е свойството на веществата да взаимодействат обратимо с литий.

„Това е едно специфично свойство. Обратимо означава, че литият може да се вгражда в структурата на съединението, след това по обратен път да се екстрахира от нея, без при това съединението да се разрушава. Структурата остава, като цяло, непроменена и този процес е в основата на литиево йонните батерии. Първата литиево йонна батерия е комерсиализирана през 1991 г. от фирмата „Сони“, благодарение на разработките на проф. Джон Гудинаф върху специфични оксиди, т.нар. литиево-кобалтови оксиди със слоеста структура“, казва проф. Стоянова.

Слоестата структура дава възможност литиевите йони лесно да се вграждат в нея и след това лесно да я напускат, докато кобалтовите йони определят потенциала на взаимодействие с литиевите йони.

Така функционира литиево йонната батерия: при заряд на батерията литиевите йони се екстрахират от литиевия кобалтит и се пренасят през електролита към анодния материал, докато при обратния процес на разряд – литиевите йони от анода достигат оксида, където се вграждат в неговата структура.  За тази си разработка – слоест литиев кобалтит, проф. Джон Гудинаф е удостоен с Нобелова награда по химия през 2019 година.

„Неговите изследвания са проведени между 1980 – 1985 година. И когато бях в Марбург, имах възможността да се запозная с тях и след това заедно с проф. Екатерина Жечева се насочихме да работим точно в тази област.“

Изследователският тандем започва да търси нови електродни материали за литиево йонни батерии. Радостина Стоянова заедно с проф. Жечева предлагат  решение – част от кобалта, който е в литиево-кобалтовия оксид и сега е в познатите ни GSM апарати, да се замени с никел.

Причината за това предложение е продиктувана от това, че кобалтът е вреден и рядко разпространен. Докато никелът има много предимства – по-разпространен е, по-евтин и дава възможност да се постигнат по-високи специфични капацитети при оксидите, тоест да се удължи времето за използване на батерията.

„Този слоест оксид нарекохме кобалт стабилизиран литиев никелат – казва проф. Стоянова. – Той по-нататък намери признание както от проф. Гудинаф, така и от професор М. Стенли Уитингам, също удостоен с Нобелова награда по химия през 2019 година.“

След 2000 г. интересът към литиево йонните батерии  нараства неимоверно.

Задава се въпросът дали литият, или водородът ще бъде горивото на ХХI век, и до голяма степен се смята, че литият трябва да е отговорен за задоволяване на енергийните нужди на обществото. Литият, който е най-лекият метал, има много специфични свойства, които го правят уникален, но той е много рядко и неравномерно разпространен. Намира се предимно в Южна и в Северна Америка, Австралия и донякъде в Китай. Това оскъпява много литиево йонните батерии. В подобни случаи е необходимо да се разработят технологии за рециклирането им.

„За съжаление, на този етап тези технологии са скъпи, екологично вредни и обезсмислят предимството на използването на литиево йонните батерии – подчертава проф. Стоянова. – И оттук, особено след 2010 г., възниква основният въпрос – могат ли литиево йонните батерии да се заменят  с по-евтини, по-достъпни, но без да се прави компромис в характеристиките им. Такава батерия е натриево йонната и ние се насочихме към нейното разработване, благодарение на опита, който имахме от литиево йонните батерии, тъй като механизмът на действие на едните и на другите батерии е близък. Разликата е, че натрият има по-голям йонен радиус спрямо този на лития и може да се вгражда и екстрахира от вещества със структури, различни от тези на литиевите съединения.

Затова изследователите се насочват към тази тематика, която е много конкурентна и може да се опише като едно световно научно състезание, в което участват най-креативните учени. Българският екип също участва. В резултат на своите изследвания успяват да идентифицират няколко класа електродни материали, които могат да се използват в натриево йонните клетки. Освен това конструират, но на лабораторно ниво, пълна натриево йонна клетка, тоест без използване на натриев метал като анод, а с разработените от тях електродни материали. Разработената натриево йонна клетка може да се зарежда повече от 2000 цикъла – т.е. може да се зарежда, разрежда многократно и да работи както при стайна, така и при по-висока от стайната температура. Една такава батерия би била с предназначение за съхранение на енергия от възобновяеми източници, като ветрогенератори или фотоволтаици. Натриево йонните батерии спрямо литиево йонните имат още едно предимство и това е безопасността.

Много често литиево йонните батерии са отговорни за запалване на джиесеми, на тротинетки, понякога и на коли.

Разработките на проф. Стоянова и нейните колеги са свързани с химия на твърдото тяло, тоест с анализ на тази структура. За тази цел е необходимо първо тези съединения да бъдат получени, след което да бъдат охарактеризирани както структурно, така и морфологично и текстурно. И не на последно място, изследванията се провеждат на такова ниво, че  учените могат да достигнат до анализ на атомната структура на тези съединения. Нещо, което преди години не са успявали поради липсата на съответната апаратура.

„Всичко това е възможно благодарение на проектите, които успяхме да спечелим през тези години, защото финансирането на такива изследвания е от голямо значение – казва проф. Стоянова. – Финансирането е необходимо не само за да извършим съответните експерименти, да закупим съответните апаратури, но тези апаратури трябва и да се поддържат. И не на последно място, да се стимулират и млади учени да работят с тях. Смятам, че в това отношение имам немалък успех. Дотолкова, доколкото заедно с мои колеги спечелихме проект по Програма ВИХРЕН, където съм водещ учен. Една от целите е да се създаде конкурентоспособен екип, и мисля, че успяхме в тази област, защото екипът се състои не само от изявени учени, но и от докторанти и студенти. Много се радвам, че вече и студенти работят заедно с нас. Те са ентусиазирани и мисля, че това е пътят на развитие. Въобще науката е съвкупност между учени не само с различни нива на познание, но и с различен опит.“

Литиево йонните батерии са разработени предимно от учени от Европа, Съединените американски щати и Япония, които преди 2000-ата доминират на научната сцена.

След това в научното състезание се включва Китай и днес те доминират на пазара за производство на литиево йонни батерии. Европа изпуска златен шанс, смята проф. Стоянова.

„В момента се надявам в България, като част от Европа, да имаме възможността да постигнем нещо ново в областта на натриево йонните батерии – казва тя. – Ето тук е нишата, която би позволила на нашата страна да се включи и в дългосрочен план да замени централите, работещи на въглища, с друг тип производства. Но за да може това да стане, трябва да има нужната система за съхранение на енергия. И това са тези натриево йонни батерии. Натрият е много по-разпространен – например солта на масата съдържа натриев хлорид. Освен това електродните материали за натриево йонните батерии не изискват използването на скъпия кобалт. При литиево йонните батерии, независимо от многото разработки и голямата конкуренция все още се използва кобалт в електродните материали. Особено при лаптопи, джиесеми и така нататък. А още повече, България се оказва страна, богата на манган. И ако искаме да не зависим ресурсно, тоест да се произвеждат електродни материали, без да разчитаме на други страни, това може да стане, ако отново се възобнови производството на манган от някои рудници.

През последните години се насочихме и към хибридни литиево-натриеви батерии, така че да съчетаем предимства на литиевите и натриевите батерии, като елиминираме техните недостатъци. Но е нужно време и по-усилени изследвания, за да могат да се постигнат нужните характеристики.

Свързани статии:

Националната агенция за оценяване и акредитация връчва първи годишни отличия за добри практики Красива заплаха се разпространява в САЩ Тайните на кристалите За самопочистващите се прозорци и…