Energija litijeve baterije
Od 1991. godine, kada ju je Sony uveo na tržište, tehnologija Litij-ionske baterije neprestano je napredovala pa je gustoća energije komercijanih baterija porasla od 80 do 300 Wh/kg (vidjeti sliku). Za usporedbu, gustoća energije dizelskog goriva je 13 Wh/kg, s tim da dizel motor ima tri puta manju iskoristivost od električnog motora, ne obnavlja energiju kočenja i nepotrebno radi kad auto stoji.
Sudeći prema recentnom radu Quan Li et al 2023 Chinese Phys. Lett. Kineski istraživači su uspjeli izraditi litijeve baterije s rekordnom gustoćom energije od preko 700 Wh/kg.
S obzirom da su takve vijesti izuzetno poželjne, sve treba uzeti s dozom skepse, naročito zbog toga što je put od laboratorija do primjene izuzetno trnovit. Koliki je to potencijalno veliki napredak najbolje govori podatak da u svoje najnovije modele Tesle ugrađuje baterije gustoće energije od 300 Wh/kg.
Pitanje je: Koje su li fizičke granice gustoće energije litijevih baterija?
Za odgovor na ovo pitanje treba nam mikroskopski model za pa ćemo gustoću energije izraziti u elektronvoltima po molekuli. Zašto u elektronvoltima? Zato jer se prijelazom jednog atoma litija s anode na katodu oslobađa kemijska energija od 3,7 eV. Naime, radni napon Li-ionske baterije je 3,7 V. Zašto po molekuli? Zato jer tako možemo sagledati koliki postotak molekula aktivno sudjeluje u radu baterije.
Energiju možemo izraziti po jedinici mase ili po broju molekula pa vrijedi jednakost
E(J/kg)∙m = E(eV/molekuli)∙e∙N, uz m/M = N/NA,
gdje je m masa baterije, e naboj elektrona, NA Avogadrov broj, M molekulska masa molekule. Za energiju u elektronvoltima po molekuli dobivamo
E(eV/molekuli) = E(J/kg)∙M/e∙NA,
Vidimo da je molekulska masa ključna veličina o kojoj ovisi gustoća energije.
Za rad baterije nužno je osigurati dvije različite kemijske veze za litij, na anodi i na katodi pa uz masu litija treba uzeti u obzir mase anode i katode. Imajući to u vidu za molekulsku masu M odabrat ćemo masu zamišljene minimalne molekule baterije koja se sastoji od jednog atoma litija, jednog atoma ugljika i jednog atoma kisika, M = 7 + 12 + 16 = 35 g/mol. Ugljik i kisik su nužno potrebni elementi za građu anode i katode.
Ovdje treba napomenuti da smo zanemarili metale koji sudjeluju u građi katode, metalne kontakte i kućište koji mogu znatno uvećati M. Pretpostavit ćemo da navedeni dodatci udvostručuju minimalnu molekulsku masu. Uzevši to u obzir, za minimalnu molekulsku masu M = 70 g/mol, dobivamo energiju E = 0,65 eV po molekuli.
U ovom modelu baterija nije sasvim efikasna zato jer, umjesto jedne, treba 6 efektivnih molekula prosječne energije 0,65 eV da bi pohranile energiju atoma litija od 3,7 eV. To znači da bi u budućnosti još 5 efektivnih molekula moglo biti aktivirano pa bi u najboljem slučaju mogli imati baterije koje pohranjuju do 6 puta više električne energije od postojećih.
