Grafit s rupama – za bolju bateriju

Što treba učiniti da bi grafit lakše propuštao litijeve ione i tako bio bolji materijal za litij-ionske baterije? Odgovor je jednostavan: treba u njemu napraviti rupe.

Nenad Raos subota, 25. travnja 2020. u 07:00

„Lako je tebi crtati formule po ploči“, sjećam se kako mi je kolega rekao dok smo se dogovarali što ćemo i kako dalje istraživati. Bolje reći da smo se dogovarali što ćemo istraživati, jer je odmah nakon prve rečenice uslijedila druga: „A kako ću ja to sintetizirati?“ Tako i jest. Da  se nacrta kemijska veza, crtica, između dva atoma treba manje od sekunde, no da bi se kemijska veza napravila u pravoj, stvarnoj, da ne kažem živoj molekuli, u tvari koju vidimo u epruveti, a moguće i u industrijskom proizvodu treba se načekati – ako se ikad dočeka. Na unutrašnjoj strani ovitka udžbenika iz kojeg sam učio organsku kemiju nacrtane su strukture nekih čudnih molekula (nalik za kocku, trostranu prizmu, zvijezdu, stolice s naslonom i bez njega…), a pokraj njih piše: „Spojevi nacrtani na suprotnoj stranici sintetizirani su do tiskanja drugog izdanja u 1964. Ovi ispod još nisu sintetizirani.“ Toliko da se studentu da misliti što bi u budućnosti mogao raditi.

Nešto tome slično osvanulo je nedano u časopisu Chem. Međunarodna skupina kemičara uspjela je napraviti nešto što su pokušavali mnogi prije njih, no nikako da uspiju. U čemu je tajna? Riječ je o dvije kemikalije, dva kemijska spoja, BTA i HKH. Vrlo su jednostavna. Na šesteročlani prsten  ugljikovih atoma, kao u molekuli benzena, vezane su kod prvog spoja (BTA) četiri amino skupine (-NH2), a kod drugog (HKH) šest kisikovih atoma. Kada se BTA i HKH pomiješaju te im se doda kiselina, nastaje nekakva siva masa posve nejasnog kemijskog sastava. I što sad?

Ono što su autori rada  „Dynamic covalent synthesis of crystalline porous graphitic frameworks“ napravili bilo je Kolumbovo jaje, ili – bolje rečeno – primjena metode kemijske sinteze iz 19. stoljeća. Tada su kemičari miješali sve i svašta, a onda gledali hoće li iz toga nešto ispasti ili neće. Ako se sâmo ne bi spojilo, dodali bi kiselinu, a ako ni to ne bi pomoglo, dodali bi lužinu. Upravo su to napravili autori rečenog rada. Dodali su kalijevu lužinu poprilične koncentracije – 4  mol/l, što je oko 20 % KOH – pa sve skupa grijali tri dana na 120 oC. I dobili – što?

Dobili su „kristaliničnu poroznu grafitičnu mrežu“, kako piše u naslovu rada, ili točnije ugljikove i dušikove atoma povezane u šesterokute. No ti šesterokuti nisu tvorili heksagonsku mrežu, kao u grafitu ili grafenu, nego su izgradili još veće šesterokute, sa stranicama od povezanih šesterokuta. Dobili su molekulu fraktalne strukture, reklo bi se, no važnije je reći: dobili su molekulu s rupama.

Odgovor na pitanje jesu li te rupe velike ili male nije lako dati: ovisi o tome s čime ih uspoređujemo. Prema veličini atoma, pa i šesteročlanih prstena su velike, pa ipak njihova širina ne prelazi 1,2 nanometra. Dobili smo dakle sito s tako sitnim rupicama da kroz njih ne bi mogao proći koronavirus, no ni mnogo manje čestice.

Sita se ne rade samo zato da bi se na njima nešto zadržalo, nego još više da bi nešto kroz njih prošlo. A to nešto su litijevi ioni. S osam puta manjim promjerom (0,152 nm) od rupa na ovom molekularnom situ,  ioni Li+  kroz njega kao od šale prolaze. I evo ideje: zašto od te nove tvari, kojoj su dali ime PGF-1 (porous graphitic framework #1), ne napraviti katodu litij-ionske baterije?

Ideja je logična. Katoda litij-ionske baterije radi se od grafita ili grafena na koji se vežu litijevi atomi i kroz koji prolaze litijevi ioni. No problem je što vezivanje litija razara struktru grafita, a ugusto složeni atomi ugljika otežavaju slobodan protok iona. To više nije problem s poroznim molekulama PGF-1, jer u njima ima mjesta na pretek i za litijeve ione i za litijeve atome. Rezultat toga je katoda za litij-ionsku bateriju odličnih karakteristika. Ima specifični kapacitet 842 mAh g-1  pri slabim gustoćama struje (100 mA g-1), ali i pri izuzetno jakim gustoćama struje (5 A g-1) još uvijek ima primjeran specifični kapacitet od 189 mAh g-1. Nakon 1400 ciklusa punjenja i pražnjenja kapacitet joj je opao za samo 21,7 %, a efikasnost pohrane energije ostala je kakva je i bila – visokih 99,95 %.

Da ne završim ovaj članak s pohvalama „još jedne“ litij-ionske baterije izvanrednih svojstava (koja nikako da se pojavi na tržištu), reći ću da je to samo jedna od mnogo mogućih primjena novog materijala, primjena koju je bilo najlakše iskušati. Molekule nalik na molekulu PGF-1 (PGF-2, PGF-3… ?) mogle bi se iskoristiti i u nanoelektronici, za odvajanje i skladištenje plinova (posebice vodika), a od njih bi se mogli napraviti, uz prikladne modifikacije, i katalizatori za pretvaranje ugljikova dioksida u gorivo djelovanjem Sunčeva zračenja.

 

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, 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.  Sada piše za Čovjek i svemir te  mrežne stranice Zg-magazin i, naravno, BUG online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda,  a danas 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.