Sa čisto kemijskog stanovišta električna baterija, ili – stručnije rečeno – galvanski članak je jednostavna no mnogovrsna naprava. Svaka se naime redoks reakcija može teoretski iskoristiti za pohranu i dobivanje električne energije. Da bi se to postiglo bitno je tvari koje reagiraju (jedna se oksidira, druga se reducira) odvojiti jednu od druge i to s jedne strane elektrolitom, a s druge električnim vodom, metalnom pločicom ili žicom. S tehnološke pak strane nije sve tako jednostavno. Prije svega električna baterija treba pri pražnjenju osloboditi što više naboja, mora imati što veći kapacitet. Kapacitet baterije ovisi o kemijskoj reakciji koja se u njoj odvija, točnije o omjeru relativne atomske ili molekulske mase reaktanata i broja elektrona koji u reakciji sudjeluju (ta se veličina u kemiji zove ekvivalentna težina). Relativnu atomsku masu litija (6,941 g/mol) treba podijeliti s jedan da bi se u bateriju pohranio naboj jednog mola elektrona (96 487 As), pa je stoga maksimalni teoretski kapacitet anode litij-ionske baterije 3861 Ah/kg. Izvedemo li isti proračun za bateriju sa cinčanom anodom, tako da relativnu atomsku masu cinka (65,409 g/mol) podijelimo sa dva (Zn → Zn²⁺ + 2e^-), lako ćemo doći do rezultata 820 Ah/kg, što znači da cinkova baterija ima 4,7 puta manji kapacitet od litijeve.

Kad to pročitamo s pravom se pitamo: kako nekome uopće može pasti na pamet da se bavi baterijama na bazi cinka, umjesto umalo pet puta boljim baterijama na bazi litija!

Pa ipak, na moje, a vjerujem i na čitateljevo čuđenje, takvim se baterijama ipak netko bavi – i to ne bez razloga. Tome svjedoči znanstveni rad „Ultrastrong bioinspired 'brick-and-mortar' artificial SEI for dendrite-free Zn anode“. Članak je objavljen u časopisu Matter, a autori su kineski znanstvenici iz Kine i Švedske.

Ipak se ne bismo trebali tome čuditi jer ništa na ovom svijetu nije jednostavno, a ponajmanje električna baterija. Prva prednost cinka nad litijem je što je cink daleko jeftiniji i dostupniji metal od litija. Druga, mnogo veća prednost cinka nad litijem je da cink podnosi vodeni elektrolit, a litij ne, jer – znamo – litij je alkalijski metal, a alkalijski metali su poznati po svojoj „ljubavi“ prema vodi. Zbog nevodenog elektrolita u litij-ionskim baterijama, drugim riječima što se one moraju oslanjati na organska otapala, takve su baterije izuzetno zapaljive, o čemu smo mnogo puta čitali i na ovim mrežnim stranicama.

Na kraju ostaje i ono što sam maločas izračunao, naime da se u litiju može uskladištiti mnogo više naboja nego u cinku. Ta se međutim prednost brzo topi kad se sjedimo da je anoda u litij-ionskoj bateriji zapravo slitina litija i ugljika (grafita) koja sadrži samo 7 % litija. I, eto, sve bi bilo lijepo, da se cink hoće deponirati na anodu pri punjenju baterije u homogenom sloju. No to se nažalost ne događa, nego na površini cinčane anode rastu drveću i grmlju slične izrasline, dendriti. Oni povećavaju unutrašnji otpor baterije i na kraju dovode do gubitka i kapaciteta i napona.

I upravo su tu priskočili kineski znanstvenici, autori spomenutog rada. Oni su naprosto obložili anodu zaštitnim zidom. U tom zidu cigle su bile doista glinene, jer su ih činili slojevi  vermikulita, minerala gline (filosilikata). Malter međutim nije bio ni silikatan ni karbonatan, nego se sastojao od organskih, a usto biorazgradivih tvari: proteina (fibrion iz svile) ili polisaharida (natrijev alginat). No tu svaka analogija sa zidom prestaje, jer makromolekulski malter ne služi samo povezivanju slojeva vermikulita, nego i prolasku cinkovih (Zn²⁺) i drugih iona. U tome ključnu ulogu igraju karboksilne (COOH) i amidne (CONH₂) skupine „maltera“ koje grade kompleksne spojeve s ionima Zn²⁺. Sličnim mehanizmom prolaze ioni kroz staničnu membranu, što je razlog pojavi riječi bioinspired u naslovu rečenog članka. (Stuktura usto nalikuje građi školjaka i kostiju.) To bi bila teorija, kemijska strana baterije. A što je sa tehničkom ili, točnije, elektrotehničkom?

Elektroda zaštićena dvoslojem (vermikulit + biopolimer), BIL@Zn, mogla je raditi 1200 sati bez pada napona dok je elektroda od čistog cinka (Zn) propala već nakon 100 sati rada. Štoviše, dvosloj (bilayer, BIL) štiti i druge metale, poput bakra. Bakrena elektoda zaštićena dvoslojem zadržala je 99,8 % početnog kapaciteta nakon 350 ciklusa punjenja i pražnjenja, dok je nezaštićena bakrena elektroda počela gubiti kapacitet nakon 150, a posve ga izgubila nakon 170 ciklusa. I na kraju, da navedemo pune karakteristike nove baterije. Članak BIL@Zn||MnO₂ imao je kapacitet od 132 Ah/kg i to nakon 550 ciklusa. Uz radni napon od 0,5 V baterija ima gustoću energije od 75 Wh/kg, što je gotovo tri puta manje od gustoće energije tipične litij-ionske baterije (200 Wh/kg) – no nije sve u kapacitetu i gustoći energije.

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, među kojima  su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.