Ogniwa litowo-jonowe mogÄ… być w urzÄ…dzeniach mobilnych zastÄ…pione znanym od nieco ponad dekady materiaÅ‚em MXene. Naukowcy z Melbourne pracujÄ… nad technologiÄ…, która pomoże usuwać z takiej baterii warstwÄ™ rdzy tworzÄ…cÄ… siÄ™ w trakcie użytkowania telefonu. DziÄ™ki temu jej żywotność może być nawet trzykrotnie dÅ‚uższa niż dzisiaj. Zdaniem naukowców to znacznie korzystniejszy ze wzglÄ™dów Å›rodowiskowych i finansowych sposób niż recykling baterii. LiczÄ… na to, że technologiÄ… zainteresujÄ… siÄ™ producenci elektroniki i już za kilka lat idea zamieni siÄ™ w produkt rynkowy.
MXene jest dwuwymiarowym materiaÅ‚em o strukturze krysztaÅ‚u, odkrytym w 2011 roku. SkÅ‚ada siÄ™ z metalu i materiaÅ‚u wÄ™glowego. Jego struktura może być zarówno jednowarstwowa, jak i wielowarstwowa, a do tego cechuje siÄ™ wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciami okreÅ›lanymi jako poÅ›rednie miÄ™dzy metalami a materiaÅ‚ami ceramicznymi. PoczÄ…tkowo materiaÅ‚ byÅ‚ badany zwÅ‚aszcza pod kÄ…tem zastosowaÅ„ biobójczych, fotokatalitycznych i przeciwnowotworowych, ale możliwoÅ›ci jest znacznie wiÄ™cej.
– Jest to bardzo mocny materiaÅ‚, a także silnie przewodzÄ…cy. Poza tym nadaje siÄ™ do produkcji masowej. Wraz ze wspóÅ‚pracownikami rozpatrywaliÅ›my ten materiaÅ‚ jako dobry zamiennik baterii litowo-jonowych. W ich przypadku problematyczne sÄ… kwestie zwiÄ…zane z wydobyciem litu i jego bezpieczeÅ„stwem ze wzglÄ™du na jego reaktywność. MXene ma wiele zastosowaÅ„, a jednym z nich jest potencjalne zastÄ…pienie baterii lub wykorzystanie go jako skÅ‚adnik baterii – wyjaÅ›nia w wywiadzie dla agencji Newseria Innowacje dr Amgad Rezk, adiunkt w Instytucie Inżynierii Chemicznej Royal Melbourne Institute of Technology.
Samo zastosowanie nowego materiaÅ‚u do budowy baterii nie rozwiąże jednak problemów ich stosunkowo krótkiej żywotnoÅ›ci.
– MXene można wytworzyć bardzo Å‚atwo i to samo dotyczy jego produkcji na dużą skalÄ™. Problemem z tym materiaÅ‚em, podobnie jak z litem, jest ich nietrwaÅ‚ość. DziaÅ‚anie baterii opiera siÄ™ na powtarzajÄ…cym siÄ™ Å‚adowaniu i rozÅ‚adowywaniu. Za każdym razem ten proces nie jest w stu procentach odwracalny. MateriaÅ‚ nie wraca do stanu pierwotnego, co prowadzi do nagromadzenia siÄ™ warstwy rdzy czy tlenku, co zawsze byÅ‚o i jest problemem w przypadku baterii – mówi dr Amgad Rezk.
To wÅ‚aÅ›nie ten proces korozji sprawia, że baterie użytkujemy Å›rednio dwa–trzy lata. Nie ma bowiem skutecznej metody na usuwanie warstwy tlenku.
– JeÅ›li rower zacznie rdzewieć, można użyć pÅ‚ynu antykorozyjnego, aby usunąć rdzÄ™ chemicznie, albo wyczyÅ›cić jÄ… mechanicznie. Na maÅ‚Ä… skalÄ™ zminiaturyzowanych urzÄ…dzeÅ„ nie ma jednak takiej możliwoÅ›ci, ponieważ materiaÅ‚ jest zbyt cienki. JeÅ›li użyjemy chemikaliów do usuniÄ™cia rdzy, nic z niego nie zostanie, a metoda mechaniczna nie sprawdzi siÄ™, ponieważ elementy sÄ… zbyt maÅ‚e. W naszym laboratorium od ponad 15 lat pracujemy nad platformÄ… bazujÄ…cÄ… na powierzchniowych falach akustycznych, czyli drganiach wysokiej czÄ™stotliwoÅ›ci mierzonych w megahercach – bardzo szybkich, ale niesÅ‚yszalnych – mówi adiunkt w Instytucie Inżynierii Chemicznej Royal Melbourne Institute of Technology.
W czasie badań okazało się, że poddanie utlenionych warstw MXene na zaledwie jedną minutę drganiom elektromechanicznym o częstotliwości 10 MHz prowadzi do znacznego usunięcia powierzchniowej warstwy tlenku, a materiał zachowuje przy tym swoją strukturę i właściwości. W praktyce taka technologia pozwoliłaby użytkować baterię nawet przez dziewięć lat.
– OdkryliÅ›my, że dziÄ™ki zastosowaniu fal dźwiÄ™kowych możemy wprawiać w drgania zawartość baterii, aby pozbyć siÄ™ warstwy tlenku (rdzy), a wtedy bÄ™dziemy mogli odzyskać wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci elektryczne baterii, odmÅ‚odzić je, aby przywrócić je do stanu pierwotnego. Nie można tego robić w nieskoÅ„czoność, ale trzykrotne wykorzystanie części elektrycznych zbudowanych z badanego przez nas materiaÅ‚u MXene baterii jest możliwe – informuje dr Amgad Rezk.
Publikacja na ten temat znalazÅ‚a siÄ™ w czasopiÅ›mie „Nature Communications”.
To może być lepsze kosztowo i Å›rodowiskowo rozwiÄ…zanie niż recykling baterii. Jak podkreÅ›la naukowiec z RMIT University, w Australii tylko 10 proc. baterii z tego typu urzÄ…dzeÅ„ trafia do ponownego przetworzenia, czyli pozostaÅ‚e 90 proc. stanowi zagrożenie dla Å›rodowiska. Do tego wyzwaniem jest także wysoki koszt recyklingu litu i innych materiaÅ‚ów skÅ‚adowych w bateriach.
– JesteÅ›my nadal na wczesnym etapie badawczym, na jego temat opublikowaliÅ›my artykuÅ‚ w bardzo prestiżowym czasopiÅ›mie „Nature Communications”. Dążymy do nawiÄ…zania wspóÅ‚pracy z branżą i producentami w sektorze baterii lub innych obszarach zwiÄ…zanych z nanomateriaÅ‚ami, ponieważ nasze rozwiÄ…zanie jest platformÄ…, która nie wystÄ™puje pod okreÅ›lonÄ… markÄ…. Nie spodziewamy siÄ™, że z dnia na dzieÅ„ stanie siÄ™ ona produktem, ale być może bÄ™dzie to możliwe za dwa–trzy lata, jeÅ›li uda siÄ™ wspóÅ‚praca z sektorem – mówi dr Amgad Rezk.
Naukowcy liczÄ…, że zainteresowanie ze strony branży siÄ™ pojawi, ponieważ wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci baterii sÄ… dziÅ› jednym z kluczowych kryteriów wyboru smartfona – od nich bowiem zależy wydajność urzÄ…dzenia. Pojawia siÄ™ zresztÄ… coraz wiÄ™cej wymogów w tym zakresie. W tym roku ma wejść w życie unijne prawo bateryjne, które zakÅ‚ada, że baterie w urzÄ…dzeniach elektrycznych i elektronicznych majÄ… pochodzić z recyklingu, być Å‚atwo wymienialne oraz mieć paszport w formie kodu QR, po którego zeskanowaniu bÄ™dzie można sprawdzić m.in. producenta i datÄ™ produkcji, skÅ‚ad chemiczny baterii czy jej szacowanÄ… żywotność.
