Naturalny barwnik indygo w roli podwójnego agenta
Zespół z Concordia University w Kanadzie odkrył, że indygo sprawdza się doskonale w bateriach półprzewodnikowych. Propozycja jest o tyle intrygująca, że zamiast polegać na drogich i trudno dostępnych metalach, takich jak kobalt czy nikiel, sięga po substancję organiczną, tanią i produkowaną na masową skalę od lat. Jakby tego było mało, wstępne testy sugerują, że taka konstrukcja może dobrze funkcjonować nawet w niskich temperaturach, co stanowiło dotychczas słaby punkt wielu organicznych rozwiązań.
Kluczem do działania nowego pomysłu jest podwójna funkcja, jaką indygo pełni wewnątrz baterii półprzewodnikowych. Substancja działa jednocześnie jako aktywny materiał magazynujący energię oraz jako katalizator przyspieszający pożądane reakcje chemiczne. Przez długi czas uważano, że interakcje między materiałami organicznymi a stałymi elektrolitami są dla akumulatora szkodliwe. Badania kanadyjskich naukowców pokazują jednak coś odwrotnego – odpowiednio kontrolowana reakcja między indygo a stałym elektrolitem Li6PS5Cl może znacząco poprawić wydajność całego układu. Indygo magazynuje i uwalnia jony litu, jednocześnie „aktywując” elektrolit, który zaczyna przechowywać dodatkową porcję energii. Efekt synergii jest wyraźny – połączony system osiąga więcej niż suma możliwości jego oddzielnych komponentów.
Aby ta współpraca mogła zaistnieć, wszystkie elementy baterii muszą ze sobą doskonale współgrać. W tym celu wykorzystuje się inżynierię mikrostrukturalną i dodatki węglowe o specyficznej, sferycznej budowie (jak Super P), które zapewniają optymalny kontakt między materiałami.
Jak to wygląda w liczbach? Prototypowe ogniwa z wykorzystaniem indygo osiągają pojemność rzędu 583 mAh na gram, z czego aż 379 mAh/g pochodzi z aktywowanego elektrolitu. To wynik plasujący tę technologię w czołówce w swojej kategorii. Jeśli chodzi o stabilność, po 600 cykli ładowania w temperaturze pokojowej bateria zachowuje 86% początkowej pojemności, co przekłada się na bardzo niską średnią stratę na poziomie 0,023% na cykl. Parametry te są porównywalne z komercyjnymi rozwiązaniami opartymi na metalach przejściowych.
Prawdopodobnie najbardziej zaskakującym aspektem jest odporność na zimno. Układy z indygo działają stabilnie nawet w temperaturze -10°C, zachowując 92% pojemności po 200 cyklach. Dla materiałów organicznych, które zazwyczaj wyraźnie tracą na wydajności w niskich temperaturach, jest to wynik niezwykle obiecujący i otwiera to drogę do zastosowań w klimatach, gdzie tradycyjne akumulatory litowo-jonowe mogą mieć problemy.
Czytaj też: Student Yale opracował wiolonczelę drukowaną w 3D i Zdobył 250 tysięcy dolarów w programie Shark Tank
Indygo zamiast metali to także korzyść dla środowiska
Nie da się ukryć, że pomysł zastąpienia metali przejściowych, których wydobycie jest kosztowne i obciążające dla środowiska, łatwo dostępnym barwnikiem, brzmi atrakcyjnie. Indygo syntetyzuje się od lat w procesach przemysłowych, jest tani, a jego łańcuch dostaw jest dobrze ugruntowany. To potencjalnie oznacza mniejszą zmienność cen i uproszczenie produkcji. Naukowcy z Concordii wskazują, że ich kolejnym celem jest dalsze udoskonalenie reakcji wewnętrznych, aby zwiększyć gęstość magazynowanej energii, dążąc do przekroczenia progu 10 mAh na centymetr kwadratowy – jego osiągnięcie i przekroczenie zbliżyłoby tę technologię do realnych zastosowań, np. w pojazdach elektrycznych.