Svijet tehnologije neprestano vapi za napretkom, a jedno od najkritičnijih područja gdje su inovacije ne samo poželjne već i nužne jest skladištenje energije. Naše suvremene baterije, unatoč desetljećima usavršavanja, često se bore da održe korak s rastućim zahtjevima naprednih tehnologija poput električnih vozila ili primjena u ekstremnim uvjetima. No, u tom izazovnom okruženju rađaju se ideje koje imaju potencijal iz temelja promijeniti igru.

Jedna takva iskra inovacije bljesnula je na Sveučilištu u Kaliforniji San Diego (UC San Diego), potaknuta neobičnom znatiželjom jednog diplomanta. Promatrajući običnu limenku komprimiranog zraka za čišćenje tipkovnica, zapitao se može li se sličan princip primijeniti u svijetu baterija. Ta početna zamisao, podržana sveučilišnim ekosustavom koji njeguje istraživanje i slobodu kreativnosti, prerasla je u obećavajuću novu baterijsku tehnologiju sposobnu značajno unaprijediti performanse, sigurnost i svestranost baterija. Ova priča ilustrira kako fundamentalna znatiželja, uz adekvatnu podršku, može dovesti do revolucionarnih otkrića.

Potreba za energetskom renesansom u baterijskoj industriji

Postojeća litij-ionska tehnologija, komercijalizirana prije više od tri desetljeća, suočava se s inherentnim ograničenjima. Iako su postignuta značajna poboljšanja u gustoći energije i smanjenju troškova, uglavnom zahvaljujući napretku u proizvodnim procesima, temeljna kemija – koja se oslanja na grafitnu anodu, katodu od metalnog oksida i tekući elektrolit – ostala je uglavnom nepromijenjena. Prvotno dizajnirane za potrošačku elektroniku poput mobitela i prijenosnih računala, ove baterije sada se masovno integriraju u znatno veće sustave, poput električnih vozila, što nameće potrebu za korjenitim promjenama u kemijskom sastavu.

Stručnjaci diljem svijeta istražuju različite alternative, uključujući silicijske anode, sumporne katode te elektrolite u čvrstom stanju. Svaki od tih pristupa nosi svoje prednosti i nedostatke. Primjerice, čvrsti elektroliti obećavaju veću energetsku gustoću i sigurnost, ali njihova masovna proizvodnja mogla bi biti skuplja i zahtijevati dulje vrijeme razvoja. Stoga je potraga za transformativnom tehnologijom koja će zadovoljiti buduće energetske potrebe intenzivnija no ikad. Vjerojatno je da će se za različite primjene koristiti kombinacija više tehnologija – vrhunska električna vozila, cjenovno pristupačniji automobili, letjelice i dronovi imat će specifične zahtjeve koje današnja tehnologija teško može ispuniti.

South 8 Technologies: Revolucija s ukapljenim plinom

U tom dinamičnom okruženju ističe se tvrtka South 8 Technologies, startup koji su osnovali i vode bivši studenti UC San Diego. Njihov najznačajniji doprinos je patentirana tehnologija elektrolita s ukapljenim plinom (Liquefied Gas Electrolyte ili LiGasⓇ), koja je prepoznata kao jedan od 200 najboljih izuma 2024. godine prema časopisu TIME. Zamjenom konvencionalnih tekućih elektrolita u litij-ionskim baterijama ukapljenim plinovima, South 8 baterije postižu svjetski rekord u operativnom temperaturnom rasponu: od -60 do +60 Celzijevih stupnjeva. Za usporedbu, standardne litij-ionske baterije gube performanse već na 0 ili -10 Celzijevih stupnjeva.

Osim impresivne temperaturne otpornosti, ove baterije nude i veću energetsku gustoću po ćeliji te znatno poboljšanu sigurnost. Cyrus Rustomji, glavni znanstveni direktor i suosnivač tvrtke South 8, koji je doktorirao na Jacobs School of Engineering pri UC San Diego 2015. godine, naglašava još jednu ključnu prednost: materijali potrebni za proizvodnju LiGasⓇ baterija, uključujući industrijske plinove dostupne na tržištu, proizvode se u velikim količinama unutar SAD-a. Time se eliminira ovisnost o inozemnim dobavljačima, što je značajan korak prema energetskoj neovisnosti i sigurnosti opskrbnog lanca. Rustomji je tvrtku osnovao zajedno s kolegicom, također bivšom studenticom nano-inženjerstva na UC San Diego, Jungwoo Lee.

Od limenke komprimiranog zraka do tehnološkog proboja

Inicijalno otkriće koje je dovelo do LiGasⓇ tehnologije dogodilo se tijekom Rustomjijevog doktorskog studija na UC San Diego. Kako sam kaže, ideja mu je sinula dok je sjedio za svojim radnim stolom. "Možda ste upoznati s onim malim limenkama komprimiranog zraka kojima čistite tipkovnice. Gledao sam jednu takvu i pitao se što je zapravo unutra. Okrenuo sam limenku i pročitao: 'difluoroetan'."

Difluoroetan je, kako je Rustomji brzo shvatio, jedinstven plin koji se može ukapiti pod umjerenim tlakom. Nije toksičan, ali je dovoljno polaran da može otapati soli, što je ključno svojstvo za elektrolit. Budući da je u osnovi plin, ne smrzava se sve do ekstremno niskih temperatura. "Pitao sam se bi li to moglo omogućiti stvaranje niskotemperaturnog elektrolita – tekućeg unutar ćelije pod tlakom – i time otvoriti prostor za primjenu baterija koje rade na ultra-niskim temperaturama," prisjeća se Rustomji. Daljnja istraživanja potvrdila su njegova nagađanja, otkrivajući izvanredne performanse na niskim temperaturama.

S vremenom je tim shvatio da ova tehnologija nudi i druge prednosti, poput veće sigurnosti, energetske gustoće i sposobnosti brzog punjenja, što je posebno važno za električna vozila. "Shvatili smo da s ovim stvarno možemo nešto napraviti," kaže Rustomji. Odluka o osnivanju tvrtke South 8 Technologies bila je logičan slijed, s ciljem komercijalizacije ove obećavajuće tehnologije.

Uloga sveučilišne podrške i financiranja

Razvoj LiGasⓇ tehnologije ne bi bio moguć bez snažne podrške Sveučilišta u Kaliforniji San Diego. Rustomji ističe izvrsnost tamošnje inženjerske škole i neprocjenjivo mentorstvo profesorice nano-inženjerstva Shirley Meng, svjetski priznate stručnjakinje za baterijske materijale. Njezino vodstvo omogućilo mu je stjecanje temeljnog razumijevanja postojećeg stanja baterijske tehnologije i budućih potreba.

Pristup vrhunskoj opremi i resursima također je bio ključan. Nano3 nanofabrikacijski laboratorij (nanofabrication cleanroom facility), čije je osnivanje velikim dijelom financirala Nacionalna zaklada za znanost (NSF), bio je instrumentalan u ranim fazama razumijevanja baterijskih tehnologija. "Nano3 posjeduje izvrstan izbor spektroskopskih i mjeriteljskih alata, poput SEM (skenirajući elektronski mikroskop), FIB (fokusirani ionski snop) i E-beam (elektronsko-snopna litografija), koji su nam izuzetno pomogli u razumijevanju temeljnih interakcija unutar baterijskog uređaja," objašnjava Rustomji. "UC San Diego jednostavno ima sjajne alate koji omogućuju bolje fundamentalno razumijevanje naprednih materijala koje smo razvijali. Bez tih sposobnosti i instrumenata, ne bismo bili ovdje gdje smo danas."

Suradnja se nije ograničila samo na UC San Diego. Tim je koristio i laboratorije na obližnjem Sveučilištu u Kaliforniji Irvine (UC Irvine) za karakterizaciju pomoću transmisijskog elektronskog mikroskopa (TEM). Istraživački institut za materijale na UC Irvine također dijelom podržava NSF, što ukazuje na snagu suradničke mreže unutar sustava Sveučilišta u Kaliforniji.

Brojni profesori s kampusa, uključujući Ping Liua, Shirley Meng i Zheng Chena (svi s Odsjeka za kemijsko i nano-inženjerstvo Aiiso Yufeng Li Family), rado su pružili pomoć i surađivali na projektu. Što se tiče financijskih sredstava, još dok je Rustomji bio diplomski student, tim je osigurao sredstva od ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy). "Ministarstvo energetike financiralo nas je malim grantom, što je zaista potaknulo ovu inovaciju i omogućilo mi da se puno radno vrijeme na kampusu posvetim primjenama i tehnologiji," ističe Rustomji. Tijekom postdoktorskog studija, uspješno se prijavio za grantove za istraživanje inovacija u malom poduzetništvu (Small Business Innovation Research) od strane NSF-a i NASA-e. Ta su sredstva omogućila dovršetak postdoktorskog rada i potpunu posvećenost tvrtki.

Primjene i budućnost LiGasⓇ tehnologije

Sposobnost LiGasⓇ baterija da rade u ekstremnim hladnoćama privukla je pažnju američke vojske, koja ih testira za napajanje komunikacijskih uređaja u ultra-hladnim regijama. Ugovori s vojskom potvrđuju robustnost i pouzdanost tehnologije u najzahtjevnijim uvjetima. Automobilske kompanije također pokazuju značajan interes, prepoznajući potencijal ovih baterija da unaprijede tržište električnih vozila, posebice u pogledu dometa i performansi u različitim klimatskim uvjetima, te sigurnosti.

Tvrtka South 8 Technologies sa sjedištem u San Diegu, Kalifornija, dokazuje da i područja koja nisu poznata po ekstremnim temperaturama mogu biti plodno tlo za razvoj rješenja namijenjenih upravo takvim uvjetima. Rustomji se šali kako ne voli hladnoću pa je zato želio pronaći energetsko rješenje za nju. No, ozbiljnije govoreći, ekosustav u južnoj Kaliforniji, posebice u San Diegu, pokazao se izuzetno povoljnim.

"Prvo, tu je UC San Diego, koji uključuje i Rady School of Management. U blizini je i San Diego State University, koji također obrazuje talentirane inženjere i znanstvenike. Imali smo diplomante s oba sveučilišta koji su se pridružili našem timu," kaže Rustomji. "San Diego nudi mnogo više od ugodne klime."

Dodatnu podršku pruža Southern California Energy Innovation Network (SCEIN), mreža koja povezuje lokalne poduzetnike, omogućuje razmjenu informacija o mogućnostima financiranja iz federalnih ili državnih izvora te pomaže u povezivanju s rizičnim kapitalistima. "Ova prilika za umrežavanje bila je zaista neprocjenjiva," dodaje Rustomji. "Mislim da se San Diego često podcjenjuje kao središte inovacija i poduzetništva. Ali ovdje se radi mnogo sjajnih stvari, ne samo u čistoj tehnologiji, već iu hardverskoj i softverskoj industriji. U San Diegu se događa mnoštvo velikih inovacija."

Poruke za buduće inovatore

Sljedeće godine, South 8 Technologies proslavit će desetu godišnjicu postojanja kao startup. Na pitanje koji savjet ima za ambiciozne inženjere i poduzetnike koji razmišljaju o pokretanju vlastitih tvrtki, Rustomji odgovara: "Budite zaljubljeni u ono što radite i volite ljude s kojima to radite. Bit će to putovanje, a ne sprint. I samo oni koji vole ono što rade i s kim rade bit će uspješni na kraju dana."

A kakva bi bila savršena baterija i hoćemo li je ikada stvoriti? "Savršena baterija bila bi inherentno vrlo sigurna, nikada se ne bi ispraznila, samo bi se punila i praznila iznova i iznova milijunima ciklusa, punila bi se brzo koliko želite i koštala bi gotovo ništa," kaže Rustomji. "Ali zabava u tome da ste znanstvenik ili inženjer jest u tome što znate da je to san. Zabava je u tome da postajete sve bolji i bolji, približavajući se što je više moguće toj sanjanoj bateriji i čineći ta poboljšanja. Inače, da savršena baterija postoji, to bi oduzelo zabavu iz procesa inovacije. I to se može primijeniti na bilo koju tehnologiju. Ništa nikada nije savršeno, i mislim da je upravo nesavršenost ono što inovaciju čini tako zabavnom."

Razvoj tehnologije poput LiGasⓇ pokazuje da smo na dobrom putu prema rješavanju nekih od najvećih izazova u skladištenju energije, otvarajući vrata novim mogućnostima u brojnim industrijama i približavajući nas budućnosti s pouzdanijim, sigurnijim i svestranijim baterijskim rješenjima.

Izvor: University of California