Istraživački tim predvođen istraživačima s Instituta Ruđer Bošković (IRB) i Rimac Automobili, otvaraju novu stranicu suradnje znanosti i biznisa, konkretnije u području komplementarnih interesa – posrijedi su baterije.

Naime, Ruđerovi istraživači razvili su novi materijal poboljšanih svojstava koji ima obećavajući potencijal za primjenu u litij-ionskim baterijama. Riječ je o materijalu razvijenom na bazi silicija, i to znači da ima karakterističnu poroznu strukturu koja mu omogućava bolju izmjenu naboja, dok su unaprijeđeni i vodljivost materijala i kapacitet, kako su o tome iz IRB-a i izvijestili.

Rezultati istraživanja već su predstavljeni i u tvrtki Rimac Automobili. Kako se taj znanstveni projekt s novim zadacima nastavlja u sljedećoj fazi koja uskoro kreće, razdoblje na horizontu od nekoliko godina trebalo bi generirati nove rezultate istraživanja kroz suradnju Ruđerovih znanstvenika i Rimac Automobila na planu povezivanja znanosti i proizvodnje.

Proces istraživanja i razvoja Li-ionskih baterija sa silicijskom anodom pokrenut je na Ruđeru prije 4-5 godina, kada je tu temu za izradu doktorske disertacije dobila dr. sc. Matea Raić, pod voditeljstvom dr. sc. Mile Ivande, voditelja Laboratorija za molekulsku fiziku i istraživanje novih materijala, ujedno jednog od voditelja Centra izvrsnosti za napredne materijale i senzore (CEMS).

Rezultati istraživanja ocjenjuju su jako važnima u daljnjem razvoju anodnih materijala za litij-ionske baterije, a objavljeni su u časopisu ‘Journal of Electroanalytical Chemistry’. Osim elektrokemijskog testiranja kažu da u istraživanjima kombiniraju i metode strukturne i morfološke karakterizacije koje su “važne u ciljanom dizajnu naprednih materijala, kao što je to dizajn elektrodnih materijala za galvanske članke”.

Obostrano zanimanje
”Nedavno smo predstavili naše rezultate u tvrtki Rimac Automobili te postoji obostrano zanimanje za suradnju u razvoju i primjeni Li-ionskih baterija za električne automobile”, potvrdili su naši sugovornici.

Silicij se pokazao kao anodni materijal nove generacije Li-ionskih baterija koje se inače kao vrsta punjivih baterija obično koriste u prijenosnim elektroničkim uređajima i električnim vozilima.

Pritom popularnost u primjeni baterija raste i u drugim sektorima, primjerice u aeronautici te svemirskoj tehnologiji, dok istodobno po principu ‘ruku pod ruku’ sam tehnološki napredak i pad cijena baterija uslijed velikog zamaha električnih vozila, čine baterijske spremnike sve prihvatljivijim rješenjem za pružanje usluge regulacije elektroenergetskog sustava. Sve više na važnosti u primjeni dobivaju upravo slijedom sve veće integracije obnovljivih izvora energije.

Procjenjuje da će kroz pet godina (2028.) tržište baterija globalno vrijediti više od 30 milijardi eura/S. Midžor/PIXSELL

Što se efekata globalno tiče, procjenjuje da će kroz pet godina (2028.) tržište baterija vrijediti više od 30 milijardi eura, a od toga najveći udio i dalje će imati litij-ionske baterije s rastom procijenjenim između 8,5 i 9,4%.

Stoga je posve razumljivo da je fokus i znanstvenika i poslovne zajednice na ovom projektu generiran pitanjima što u bliskoj perspektivi mogu donijeti temeljne spoznaje o novom materijalu za navedene baterije, i to generalno glede mogućnosti komercijalne primjene novog materijala u praksi i u industrijskoj proizvodnji baterija. Traže se važni odgovori, a nove spoznaje su obećavajuće: u litij-ionskim baterijama silicijska anoda teorijski omogućava najveći kapacitet, dok je sam silicij jedan od najistraživanijih materijala današnjice.

Razvojem poluvodičke industrije tehnološko procesiranje silicija dovedeno je gotovo do savršenstva i, kako navode naši sugovornici u IRB-u, u posljednje vrijeme intenzivno se istražuje “i nanostrukturirani silicij koji pokazuje vrlo zanimljiva svojstva u odnosu na makroskopski”.

U ta istraživanja nanostrukturiranog silicija na Ruđeru se krenulo prije desetak godina pod voditeljstvom dr. sc. Ivande, i to u okviru projekata Hibridne silicijeve nanostrukture za senzoriku, a financiranog od strane Hrvatske zaklade za znanost te potom i u okviru CEMS-ovog projekta koji je financirala EU i tadašnje Ministarstvo obrazovanja i sporta.

U istraživanjima su, kroz izradu više diplomskih radova i doktorskih disertacija, razvili nekoliko tehnika dobivanja nanometarskog silicija s hijerarhijskom strukturom koji je vrlo pogodan za izradu anode u Li-ionskim baterijama.

”Teorijski kapacitet silicijskih anoda u Li-ionskim baterijama je oko 4200 miliamper-sati po gramu (mAh/g). Radi usporedbe, najbolje današnje komercijalne baterije imaju 10 do 15 puta manji kapacitet od ovoga. Naš rezultat od oko 3300 mAh/g jedan je od nekoliko najboljih ostvarenih rezultata u svijetu.

Sljedeća faza projekta je optimiziranje brzine punjenja baterije te povećanje broja ciklusa punjenja i pražnjenja”, kaže dr. sc. Ivanda dodajući da za ova istraživanja imaju gotovo sve potrebne preduvjete. Rezultiraju li pozitivnim pokazateljima, proces izrade anode iz laboratorijskih uvjeta skalira se prema industrijskoj proizvodnji baterija. U toj fazi radi se poslovni plan za pilot proizvodnju manje serije, a nakon toga se može ići i na masovnu proizvodnju.

Naš rezultat od oko 3300 mAh/g jedan je od nekoliko najboljih u svijetu, kaže dr. sc. Ivanda/S. Midžor/PIXSELL

Trenutno se, kako navodi, na osnovu takvog postupka direktno iz laboratorija prema pilot proizvodnji u svijetu gradi nekoliko tvornica baterija sa silicijskom anodom. ”Ove baterije, u odnosu na postojeće, predstavljaju novu generaciju Li-ionskih baterija čiji je kapacitet u ovim pilot pogonima povećan 30-50% u odnosu na postojeće. Trenutačna težina Li-ionskih baterija u automobilima je oko 500 kg, a prava revolucija u primjeni bila bi ako bi im se težina smanjila na vrijednost ispod 100 kg”, navodi naš sugovornik.

U istraživanjima još sudjeluju dr. sc. Lara Mikac, dr. sc. Marijan Gotić i dr. sc. Nikola Baran s IRB-a te dr. sc. Marko Škrabić s Medicinskog fakulteta u Zagrebu, a financirana su u okviru CEMS-a. Petogodišnje razdoblje financiranja upravo ističe, no ove godine očekuje se realizacija nastavka financiranja za narednih 5 godina. Također, u sljedećoj fazi rad nastavljaju svi dosadašnji sudionici, no tim bi trebao biti pojačan s dva doktoranda i jednim poslijedoktorandom.

Nastavak financiranja
”Financiranje novih sudionika trebalo bi se realizirati kroz nastavak financiranja CEMS-a za kojeg vjerujemo da će se realizirati ove godine. U ovoj fazi za koju predviđamo trajanje od 3 do 4 godine trebali bi se riješiti problemi brzine punjenja baterije te povećati broj ciklusa punjenja i pražnjenja iznad 500 ciklusa”, kaže dr. sc. Ivanda.

U ocjeni rezultata istraživanja u pogledu uloge novog materijala u daljnjem tehnološkom razvoju anodnih materijala za litij-ionske baterije doktorandica Matea Raić ističe da silicij pokazuje najveći teorijski specifični kapacitet, prirodno je rasprostranjen i relativno jeftin, a i sa sigurnosnog aspekta je prihvatljiviji, jer je smanjena vjerojatnost od kratkog spoja, odnosno zapaljenja baterija.

”Upravo iz tih razloga, odlučili smo pripraviti anodni materijala s većinskim udjelom silicija. Naš materijal pokazuje napredna svojstva visokog kapaciteta, što znači da može vezati veliku količinu naboja po jedinici mase aktivnog materijala, u ovom slučaju silicija. Važno je napomenuti da porozna silicijska struktura omogućuje bolju izmjenu naboja, pa se time pospješuje difuzija litijevih iona, a dekoracija materijala srebrovim nanočesticama povećava vodljivost materijala, što omogućuje postizanje većeg broja ciklusa punjenja i pražnjenja”, kaže Raić.

Nakon što se već postignut rezultat istraživanja približio teorijskoj vrijednosti upravo za silicij, koji je zapravo jedini materijal koji može dati najveći kapacitet litij-ionskim baterijama, naši istraživači poručuju: “Rezultat je vrlo obećavajući, ali još vidimo prostora za napredak!”