Structura fosforului negru prezintă canale care permit pătrunderea litiului în cadrul acesteia.
Vehiculele electrice sunt limitate de către autonomia bateriilor. Reîncărcarea vehiculelor, chiar și în situații ideale, nu se poate face la fel de rapid, în comparație cu realimentarea unui vehicul cu ardere internă. Până în prezent, cea mai mare parte a efortului de extindere a autonomiei a fost concentrată pe creșterea capacității de alimentare a bateriilor. O alternativă eficientă este realizarea unei baterii care se poate încărca mult mai rapid, în așa fel încât, reîncărcarea vehiculului electric va fi la fel de rapidă și simplă, precum umplerea rezervorului cu combustibil.
Nu există o lipsă de idei, în ceea ce privește o soluție mai bună pentru autonomia vehiculelor electrice, însă o lucrare științifică, publicată în revista Science, sugerează o modalitate neobișnuită de a rezolva această problemă: utilizarea fosforului negru, sub forma unei foi de material, având grosimea de dimensiunea unui atom, care prezintă canale cu litiu. În mod individual, fosforul negru nu este un material excelent pentru realizarea bateriilor, însă o echipă de cercetători chinezo-americană a descoperit modalitatea de a-l modifica, astfel încât să funcționeze mult mai bine. Chiar dacă fosforul negru nu va avea aceleași performanțe, precum un material convențional utilizat în construcția bateriilor, foaia de material oferă o nouă perspectivă asupra logicii și a procesului de dezvoltare al bateriilor.
Deci, ce reprezintă, de fapt, fosforul negru? Cel mai simplu mod de a-l studia este prin compararea acestuia cu grafitul, un material deja utilizat ca electrod în cazul bateriilor litiu-ion. Grafitul este o formă a carbonului, care reprezintă o suprapunere stratificată a foilor de grafen. La rândul său, grafenul este o foaie formată dintr-o moleculă foarte mare, compusă din atomi de carbon dispuși într-o rețea hexagonală. În același mod, fosforul negru se compune din mai multe foi stratificate, de dimensiuni asemănătoare atomului de fosforen.
Însă există diferențe cruciale între materiale. Pentru început, fosforul este un atom mai mare, cu mai mulți electroni decât carbonul, și astfel poate interacționa cu mai mulți atomi de litiu, aceasta fiind o caracteristică esențială pentru electrozii bateriei. Cealaltă diferență este aceea că legăturile formate de către atomii de carbon, asigură faptul că, grafenul este în esență plat, însă nu mai gros decât atomii de carbon din care este format. Foile de fosforen nu sunt netede. Atomii vecini sunt dispuși la unghiuri care provoacă foii de material, o serie de creste sau canale.
Această caracteristică a atras interesul cercetătorilor, deoarece acele unghiuri formează o cale de a transporta ionii de litiu în material și în afara acestuia. Și, datorită faptului că fiecare atom de fosfor poate interacționa cu mai mulți ioni de litiu, sunt cunoscute doar două materiale cu capacități teoretice mai mari ale electrodului, unul dintre ele fiind litiul în sine. În cele din urmă, fosforul negru prezintă o conductivitate electrică bună, o caracteristică importantă pentru electrodul bateriei.
Deci, de ce nu utilizează deja toată lumea fosforul negru? Companiile producătoare de baterii nu au ales acest material deoarece nu este foarte eficient. La fel ca și în cazul altor materiale utilizate pentru electrozi, fosforul negru se extinde, în timp ce ionii de litiu se micșorează, crescând riscul unei defecțiuni structurale în timpul ciclurilor de încărcare/descărcare. De asemenea, la marginile foilor, se pot forma legături chimice între straturi, etanșând unele dintre canale. Pentru ca acesta să funcționeze ca și material al unei baterii, aceste probleme trebuie să fie rezolvate.
Soluția
Pentru a face față legăturilor chimice, formate la marginea foilor de fosforen, cercetătorii au combinat fosforul negru cu grafitul, permițând atomilor de la marginea foii de fosforen să formeze legături chimice cu atomii de carbon. Deși grafitul nu este la fel de eficient precum un mediu de stocare al carbonului, acesta este suficient de bun pentru a fi utilizat în cadrul bateriilor. Prin limitarea cantității de grafit la aproximativ 15% din totalul materialului, cercetătorii s-au asigurat de faptul că fosforul negru va gestiona majoritatea depozitului de litiu.
Pentru ca acest material să funcționeze cu un electrolit solid, cercetătorii l-au acoperit cu un gel subțire de polimer infuzat cu electrolit lichid. Acest lucru a asigurat faptul că, deși electrodul s-ar schimba din cauza fluxului mare de ioni de litiu, acesta ar putea, totuși, să interacționeze cu electrolitul solid. De asemenea, când au examinat materialul, după ce l-au introdus în cadrul unei baterii, au aflat faptul că acesta a ajutat la excluderea substanțelor chimice, formate prin defectarea altor materiale ale bateriei, ceea ce a contribuit la creșterea durabilității. După 2.000 de cicluri, electrodul, acoperit cu un strat de polimer, avea o capacitate de 10 ori mai mare decât același material neacoperit.
Cercetătorii au realizat o versiune a electrodului cu fosfor roșu, aspectul acestuia fiind similar cu o plasă dezorganizată. În urma testelor, cercetătorii au concluzionat faptul că fosforul roșu avea doar o treime din capacitatea versiunii cu fosfor negru, indicând faptul că foile de material erau necesare. De asemenea, scăderea cantității de grafit, utilizată pentru a forma electrodul, a redus capacitatea sa generală, chiar dacă aceasta presupune prezența unei cantități mai mari de fosfor negru, indicând faptul că elementul carbon joacă un rol cheie în structurarea fosfatului negru.
Studiile electrodului au confirmat prezența legăturilor chimice carbon-fosfor. De asemenea, o altă versiune a electrodului, fără prezența grafitului, a confirmat faptul că a avut o rezistență mai mare la inserarea ionilor de litiu, așa cum s-ar prevedea dacă legăturile carbon-fosfor păstrează foile de fosforen învecinate, pentru a forma legături chimice.
Încărcarea raidă
Însă materialul permite o încărcare rapidă? Care a fost, de fapt, scopul acestei cercetări? Bateriile actuale cu litiu gestionează o densitate de stocare de aproximativ 500 mAh/g, însă acestea se încarcă foarte lent. Pentru a încărca o baterie, cu un timp de finalizare similar umplerii unui rezervor de combustibil, autorii estimează faptul că au nevoie de un material care poate gestiona un curent de încărcare de peste 5A/g.
Noul material are câteva specificații destul de impresionante. Când materialul a fost încărcat la o rată similară cu cea utilizată pentru o baterie litiu-ion, aceasta avea o densitate de stocare de aproximativ trei ori mai mare decât cea a unei baterii litiu existente. Când a fost încărcat la o rată similară cu cea necesară pentru încărcare rapidă, densitatea de încărcare avea o valoare de aproximativ 800 mAh/g, având performanțe mai bune decât bateriile cu litiu. Materialul respectiv ar putea fi eficient chiar și la o rată de încărcare dublă, fără o scădere mare a capacității. De asemenea, în mod critic, aceste rezultate au fost obținute după 2.000 de cicluri de încărcare/descărcare, indicând faptul că bateria este destul de durabilă.
Aceste rezultate reprezintă performanța unui singur electrod, nu a unei baterii întregi. Însă, echipa de cercetători a testat doi electrozi împreună, iar performanța acestora a fost similară.
Există o mulțime de motive pentru care o astfel de tehnologie nu ajunge în cele din urmă pe piață, de la ușurința de fabricare la integrarea slabă cu celelalte componente necesare pentru a face un produs viabil, din punct de vedere comercial. Dar acesta este un caz în care un material deja considerat ca fiind promițător, însă pur și simplu nu prezenta performanța așteptată. În acest sens, demonstrând că problemele care au limitat materialul ar putea fi depășite, cercetarea oferă unele indicații asupra faptului că, deși această formulare specială nu funcționează, ar putea exista o soluție convenabilă, prin fabricarea bateriilor din materiale mai ecologice.
