Tko je (al)kemičara u 17. ili 18. stoljeću godina pitao za fosfor, čuo bi: „A koji fosfor?“ Jer riječ fosfor (grč. fotos – svjetlo + foreus – nosač), dakle svjetlonoša ili lucifer (ali i Lucifer), označavala je bilo koju tvar koja svjetluca u mraku. Ono što mi danas zovemo fosforom, bio je samo jedan od mnogih „fosfora“, Kunckelov fosfor, dobiven – što je bila strogo čuvana tajna – suhom destilacijom taloga mokraće. Danas bismo rekli: fosfor je kemijski element, nemetal rednog (protonskog) broja 15 i simbola P, koji se nalazi u istoj skupini periodnog sustava kao dušik i arsen. No Kunckelov fosfor je opet bila samo jedna alotropska modifikacija petnaestog elementa. Riječ je o bijelom fosforu, fosforu s četveroatomnim molekulama (P₄), žućkastoj (ne bijeloj!), mekoj, otrovnoj i nadasve zapaljivoj tvari. Šibice od bijelog fosfora palile su se na svemu: sjećate li se kauboja u filmu koji pali šibicu na čizmi? Onda je u 19. stoljeću otkriven praktički neotrovan i puno manje zapaljiv crveni fosfor i na kraju – crni fosfor.

Ta treća modifikacija fosfora nije slična grafitu samo po (crnoj) boji. On, kao i grafit, vodi električnu struju, a ima – što je u kontekstu ovoga članka najvažnije – i strukturu vrlo sličnu strukturi najčešće alotropske modifikacije ugljika. Kao i u grafitu, atomi (ugljika ili fosfora) grade heksagonsku mrežu, no dok svi atomi ugljika leže u ravnini, atomi fosfora su poredani na plohi vala, s kanalima između slojeva. A u kanalima se lako može izgubiti, bilo da je riječ o gondolama ili litijevim ionima.

Upravo su ti kanali bili prepreka da se crni fosfor iskoristi za izradu litij-ionske baterije, točnije njezine anode. No, evo novosti. U časopisu Science nedavno je osvanuo znanstveni rad kineskih znanstvenika „Black phosphorus composites with engeenered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage (Kompozitni materijal od crnog fosfora s projektiranim međupovršinama za pohranu litija velike brzine i kapaciteta)“. Nije dakle riječ samo o crnom fosforu nego o kompozitnom (višekomponentnom) materijalu koji se označava kraticom (BP-G)/PANI: BP znači crni fosfor (black phosphorus), G je grafit (graphite), a PANI polianilin, plastična masa koja služi kao vezivo. I da ne zakinem čitatelja za tu pojedinost, kompozitni se materijal sastoji 65 % od crnog fosfora, 16 % od grafita i 19 % od plastične mase (PANI). Te tri komponente grade pola mikrometra velike čestice, od čijeg je praha načinjena anoda litij-ionske baterije.

Najveći problem s litij-ionskim baterijama nije toliko njihova mala gustoća energije u usporedbi s fosilnim gorivom, recimo benzinom (0,1 – 0,3 kWh/kg prema 14 kWh/kg), koliko sporo punjenje. No zahvaljujući crnom fosforu – tvrde autori spomenutog rada – automobilska baterija bi se mogla nabiti za manje od deset minuta. To znači da bi punjenje automobila električnom strujom bilo isto toliko brzo kao i punjenje benzinom.

Evo brojeva. Pri gustoći struje od 2,6 A/g kompozitna anoda ima kapacitet 910 mAh/g, a pri dvostruko većoj gustoći struje (5,2 A/g) 790 mAh/g i, važno je napomenuti, kapacitet joj se praktički nije promijenio ni nakon 2000 ciklusa punjena i pražnjenja. To znači da bi baterija temeljena na crnom fosforu imala gustoću energije od oko 350 Wh/kg ako bi se brzo punila, dakle – kao što rekoh – za manje od deset minuta. A ako bi se punila polako?

U tom slučaju, pokazuje prikazani dijagram, fosforna bi anoda mogla pohraniti mnogo više naboja – od 1650 do 2170 mAh/g pri gustoći struje od 0,26 A/g. Zašto čak toliko? Ili, bolje pitanje, zašto teoretski kapacitet crnog fosfora iznosi 2596 mAh/g?

Odgovor, kao uvijek u kemiji, treba potražiti u strukturi. Atom fosfora veći je od atoma ugljika – promjer prvog iznosi 0,214, a drugog 0,154 nm – a ima i više elektrona, pa stoga može za sebe vezati tri iona litija. Samo su dvije tvari u tom smislu bolje od crnog fosfora. To su silicij (4200 mAh/g) i litij (3860 mAh/g).

 Istraživanju nikad kraja! Zapravo bi bilo čudno da su istraživanja litij-ionske baterije stala s prvim elektromobilom što je sišao s proizvodne trake. Anodu (BP-G)/PANI stoga treba shvatiti kao još jedan korak prema boljoj bateriji za naše, u bliskoj budućnosti jedine, električne automobile. Uz sve dobre strane takve baterije, treba reći i to da je fosfor vrlo jeftina sirovina, a usto se lako zbrinjava i po potrebi reciklira: treba ga samo zapaliti (oksidirati) – i evo fosforne kiseline i fosfata, vrijednih sirovina za kemijsku industriju.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a sada je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.