Litijeva ili, preciznije, litij-ionska baterija (LiB) bila bi najbolja električna baterija da joj se anoda može napraviti od litija. Litij je naime najlakši metal, relativna atomska masa mu iznosi samo 7 (točno: 6,941) pa kako jedan mol litijevih iona (Li⁺) može vezati jedan mol elektrona (96 485 As), lako se može izračunati da je teoretski specifični kapacitet litijeve anode 13.901 As g^-1 ili  3861 mAh g^-1). No čitatelj će lako zaključiti iz moje prve, pogodbene rečenice da se od čistog litija ne može se napraviti elektroda. Anoda se obično radi od grafita, pa je najveći mogući kapacitet takve, grafitne anode deset puta manji – iznosi samo 372 mAh g^-1. Stoga se istražuju mnogi materijali koji bi trebali zamijeniti grafit kako bi se postigao konačni cilj, a to je 500 mAh g^-1. Takve bi anode mogle ozbiljno konkurirati grafitnima uz, naravno, uvjet da budu trajne, da se brzo ne istroše i da rade pri što većim jakostima struje.

Zbog svega rečenog djeluje kao znanstvena fantastika vijest da su kineski znanstvenici uspjeli napraviti anodu za litij-ionsku bateriju sa specifičnim kapacitetom od čak 1301,3 mAh g^-1 – tri i pol puta većim od teoretkog kapaciteta grafitne anode! O tome čitamo u časopisu Molecules pod naslovom „Trimetallic zeolitic imidazolate framework-derived CoNiO₂/NiCo₂O₄/NiFe₂O₄ hierarchical architecture: Unveiling multi-component synergism for ultrahigh-capacity and highly stable lithium storage“. Kako je to moguće i je li baš tako kao što piše?

Najbolje će biti ako pođemo od kemije, od postupka izrade anode. Prvo se pripremi vodena otopina kobaltova i niklova nitrata te željezova(III) klorida koja se zaluži cetilamonijevim bromidom (CTAB). Kada se svi sastojci otope te se dobije tamnoljubičasta otopina, doda joj se otopina 2-metilimidazola (2-MI). Nakon žestokog miješanja i stajanja dobiva se talog, koji se potom suši kako bi nastala tvar sa strukturom metalo-organske okosnice (metal-organic framework, MOF) nalik zeolitu („trimetallic zeolitic imidazolate framework“, kako piše u naslovu). Taj se talog, Co-Fe-Ni-ZIF, zatim žari na zraku (400 ^oC), a potom u struji dušika (700 ^oC) da bi nastao konačni produkt: CoNiO₂/NiCo₂O₄/NiFe₂O₄. Zašto baš on?

To je dobro pitanje jer mogu nastati i mnogi drugi produkti, naime smjese više dvojnih (binarnih) oksida. Sve međutim ovisi o stehiometriji, točnije o omjeru koncentracija soli u početnoj otopini. Kako je omjer koncentracija soli kobalta (Co), željeza (Fe) i nikla (Ni) u otopini bio 4:2:2, materijal za anodu je dobio ime CFNO422, a njegov prekursor ime CFN422-ZIF. (Još su sintetizirana dva takva materijala, CFNO431 i CFNO413, ali su se pokazali slabijima od navedenog.)

Snimanje je elektronskim mikroskopom pokazalo da CFNO422  ima jednoliku i vrlo uređenu strukturu. Što se na anodi dešava ne može se pouzdano reći, no pretpostavlja se da se pri punjenju baterije dvojni oksidi reduciraju na metale uz nastajanje litijeva oksida, primjerice  NiFe₂O₄ + 8Li⁺ + 8e^- → Ni + 2Fe + 4Li₂O. Pri pražnjenju baterije dolazi do obrnutog procesa, metali se oksidiraju, a od litijeva oksida nastaju slobodni litijevi ioni koji prelaze u elektrolit: Ni + Li₂O → NiO + 2Li⁺ + 2e^-,  2Fe + 3Li₂O → Fe₂O₃ + 6Li⁺ + 6e^-, NiO + Fe₂O₃ → NiFe₂O₄. Ukratko, elementarni litij (Li) se ne deponira na anodi, kao kod obične LiB. Litij se deponira u obliku oksida, Li₂O, što znači da se litij niti oksidira niti reducira. Umjesto njega oksidiraju se i reduciraju željezo, kobalt i nikal.

Zašto je takva vrsta elektrode dobra može se pripisati sedmerim uzrocima koji se, važno je napomenuti, uzajamno ne isključuju. Sve se na kraju svodi na to da kanalići u novom materijalu za anodu skraćuju i olakšavaju putovanje iona i elektrona i tako smanjuju unutrašnji otpor elektrode. Štoviše, pretpostavljaju autori, pri narušavanju strukture anode stvaraju se nove strukture (faze) koje su još povoljnije za vođenje elektrona i litijevih iona. Time se objašnjava činjenica da se specifični kapacitet anode u početku naglo mijenja da bi se nakon 200 ciklusa stabilizirao na višoj vrijednosti. No to su samo hipoteze, pretpostavke koje se mogu potvrditi ili pobiti tek naknadnim istraživanjem. A njega će biti samo onda ako se nova vrsta anode ocijeni dovoljno perspektivnom za razvoj.

Da ima mnogo razloga da se upravo to dogodi pokazuje navedeni podatak o specifičnom kapacitetu (1301,3 mAh g^-1). No taj broj treba ipak uzimati s oprezom, cum grano salis. Tako se visok kapacitet postiže pri strujama od 0,2 A g^-1, ali samo u prva 120 ciklusa punjenja i pražnjenja. Mnogo je realističniji specifični kapacitet od 527 mAh g^-1 pri struji od 1 A g^-1. U takvom režimu rada baterija može izdržati 600 ciklusa. Sve u svemu, Kinezi su na dobrom putu, ali još je mnogo, mnogo koraka do cilja.

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.