TELEFON NA PUNJAČU BEZ STRAHA OD POŽARA Četiri naučnice sa novosadskog PMF-a na zadatku termičke stabilizacije litijum-jonskih baterija

Cilj ovog projekta, podržanog kroz program „Promis” Fonda za nauku Republike Srbije, u osnovi je da se inovativnim pristupom poboljša efikasnost litijum-jonskih baterija, ali i njihova bezbednost.

Ideja je, naime, da se razviju novi, sigurniji i isplativiji aditivi, koji će poboljšati tehničku stabilnost i održati performance elektrolita unutar litijum-jonske baterije.

- Litijum-jonske baterije sapadaju u red najperspektivnijih uređaja za skladištenje električne energije. A koliko su nam potrebne, potvrđuje činjenica da mi današnjicu ne možemo da zamislimo bez portabilnih električnih uređaja kao što su mobilni telefoni, laptop računari, pametni satovi, dronovi, električni automobili - kaže za „Dnevnik” dr Snežana Papović, docentkinja na PMF-u i rukovodilac SafeLi projekta. - Pored svega dobrog što nose, o čemu svakodnevno svedočimo, ove baterije imaju i mane, odnosno postoje osetljivosti njihovog korišćenja, na šta ukazuju brojna istraživanja svuda u svetu. A te mane prvenstveno potiču od elektrolita, koji se nalazi unutar litijum-jonskih baterija.

Suština je naime u tome da se u bateriji nalaze tečni eletroliti sa niskom temperaturom ključanja, što doprinosi povećanju njihove zapaljivosti. I zato je motiv istraživačkog tima PMF-a, a uz dr Snežanu Papović u njemu su asistentkinja dr Jovana Panić, te istraživači-saradnici Teona Teodora Borović i Nikolet Cako Baganj, da kroz hemizam upravo unapredi svojstva elektrolita i baterije učine bezbednijim ali i efikasnijim.

- Mi smo ustanovili, u dosadašnjim istraživanjima, da je termička nestabilnost litijum-jonskih baterija prouzrokovana zapaljivošću do sada korišćenih organskih elektrolita- navodi dr Snežana Papović. - S druge strane, korišćeni elektrolit mora da u svom sastavu sadrži izvesni multifunkcionalni aditiv, koji treba da zaštiti anodu i katodu, ali i da doprinese boljem skladištenju jona litijuma i generalno boljoj njihovoj pokretljivosti od anode do katode. Takvih aditiva nema mnogo i tu smo videli prostor da neke svoje ideje sprovedemo u delo. To planiramo da uradimo kroz tri faze istraživanja, koje podrazumevaju molekulsko modelovanje preko računarskih simulacija, korišćenje veštačke inteligencije, odnosno mašinskog učenja, te neizostavan eksperimentalni rad u laboratoriji.

Dakle, temelj SafeLi projekta je sintetisanje novih aditiva. Prvi korak je bilo korišćenje hemijske naučne intuicije, odnosno fokusiranje na određene strukturne elemente, funkcionalne grupe... koje mogu da doprinesu termičkoj stabilnosti elektrolita. Na tom polju su postignuti određeni iskoraci, i onda su oni implementirani u početnu bazu podataka, koju pri tome SafeLi tim ne pravi samo na osnovu vlastitih, već svih bliskih istraživanja koja se mogu naći u dostupnoj naučnoj literaturi. Cilj je da se na temelju svih tih podataka uz pomoć veštačke inteligencije istrenira algoritam mašinskog učenja tako da on na kraju daje smernice šta bi od potencijalnih dobitnih hemijskih kombinacija valjalo sintetisati.

- Nove aditive sintetišemo u laboratoriji, pri čemu se trudimo da sinteze budu inovativne, ali i ekonomski isplative, da budu održive, te da novosintetisana jedinjenja imaju i fizički i hemijski i elektrohemijski smisao - objašnjava dr Papović. - Posle sinteze i karakterizacije novog aditiva, mi ga insertujemo u malom procentu, od jedan  do pet odsto, u komercijalni elektrolit. U ovoj fazi istraživanja neophodno je da bude komercijalni elektrolit jer želimo da naše rezultate poredimo sa komercijalnim litijum-jonskim baterijama, da vidimo da li smo napravili neki pomak.

U sledećem koraku se prate svi važni parametri, od električne provodljivosti do termičke gravimetrije , i to u širokom opsegu temperatura, jer se i same baterije koriste u istom takvom temperaturnom opsegu.  Svi dobijeni rezultati se ponovo ubacuju u bazu podataka, čime se dobijaju novi važni inputi za dalje treniranje algoritma i nove smernice za nove sinteze aditiva...

- Sve to ipak ne bi imalo mnogo smisla ako se ne bi konkretno implementiralo u baterijsku ćeliju, koja podrazumeva komercijalni anodni i katodni materijal kao i komercijalni elektrolit u koji smo dodali naš novosintetisani aditiv, onaj koji se pokazao najbolji na osnovu svih kontrolisanih parametara - kaže dr Sanja Papović. - Tada smo u mogućnosti da vidimo i koliko dobro ciklira baterija -  koliko brzo se isprazni, koliko brzo napuni, kako se ponaša u samom radu... Upravo to simuliramo galvanostatskim punjenjem i pražnjenjem pri različitim strujnim brzinama, kako bismo videli da li i u kojoj meri dolazi do poboljšanja rada baterije. Jer, pored toga što će naš aditiv učiniti elektrolit termički stabilnijim, on s druge strane ne sme da naruši elektrohemijske performanse, jer je cilj da generalno baterija bolje funkcioniše.

Naučni doprinos SafeLi projekta  ogleda se u tome da se, zahvaljujući kombinovanju veštačke inteligencije, odnosno mašinskog učenja i klasične laboratorijske sinteze, može utabati put bržoj sintezi aditiva kojima se poboljšavaju performanse komercijalnog eletrolita i samim tim samih litijum-jonskih baterija. Istovremeno, projekat je osmišljen i tako da bude adaptabilan, odnosno da se ne odnosi samo na  litijum-jonske baterije, već i za bilo koje buduće metal-jonske baterije, koje bi se u godinama koje dolaze mogle razvijati.

Miroslav Stajić