Problem litij-ionskih baterija je što one nisu dovoljno litijeve, ili – bolje rečeno – glavni nedostatak tih, danas sveprisutnih baterija je što imaju premalo litija. Uz litij njihova anoda sadržava  i ugljik (najčešće u obliku grafita), a katoda kobalt i kisik. Iz kemijske formule katode baterije našeg mobitela, LiCoO₂, možemo lako izračunati da u njoj nema više od sedam posto tog lakog metala. (Baterija s kobaltom samo je jedna do mnogih litij-ionskih baterija s oksidima prijelaznih metala. Opća formula katode tih baterija je LiTMO₂, gdje TM označava prijelazni metal, transition metal – najčešće kobalt, mangan ili nikal.)

Rješenje za bateriju s više od sedam posto litija pronađeno je u baterijama koje imaju oksidni sloj obogaćen  litijem (Li-rich layered oxides batteries). Riječ je o tome da je TM u formuli LiTMO₂ zamijenjen simbolima prijelaznih metala te litija. Tako se dolazi do  katode opće formule Li(Li_xTM_1-x)O₂. Ili, da budem konkretniji, umjesto LiCoO₂ sada imao Li(Li_0,144Ni_0,136Co_0,136Mn_0,544)O₂.  U toj se katodi, Li-NCM,  litij nalazi u smjesi triju prijelaznih metala – nikla, kobalta, i mangana – u međusobnom omjeru 1:1:4. To malo litija (x = 0,144, ili samo 2 % po masenom udjelu) u oksidnom sloju čini čuda: dok kapacitet katode obične litij-ionske baterije, one na bazi LiCoO₂, iznosi oko 150 Ah/kg, kapacitet katode Li-NCM dosiže 300 Ah/kg, uz gustoću energije baterije 450 Wh/kg. I sve bi bilo lijepo i krasno da nema jednog „ali“. Taj „ali“ je da već nakon 50 ciklusa punjenja i pražnjenja baterija gubi desetinu kapaciteta. Tko će kupiti elektromobil kojem već nakon 50 ili 100 punjenja, dakle nakon 25-50 tisuća kilometara treba mijenjati baterije?

Rješenje problema nalazimo u znanstvenom radu što je u ožujku izišao u čaopisu Cell Reports Physical Science pod naslovom „Metastability and reversibility of anionic redox-based cathode for high-energy rechargeable batteries“. Najvažnije riječi u naslovu su reversibility (reverzibilnost, dakle obnovljivost) i metastability (metastabilnost). Autori rada su, ukatko, podrobno istražili procese koji se zbivaju na katodi Li-NCM i otkrili da ona prilikom  nabijanja otpušta ione litija i iz oksidnog sloja. Pritom se oksidni sloj razara, no ne prelazi u novo stabilno nego baš u metastabilno stanje.

Metastabilno stanje ima u kemiji, baš kao i u mehanici (metastablina ili labilna ravnoteža) višu energiju od stabilnog stanja. To znači da na mali vanjski poticaj metastabilno prelazi u stabilno stanje. U mehanici se taj prelaz postiže udarom, vibracijama i slično, no u kemiji se to najlakše i najčešće postiže zagrijavanjem. U slučaju katode Li-NCM dobro je što ona zagrijavanjem prelazi u početno, a ne u neko drugo stabilno stanje. Stoga se katoda  i može regenerirati. S druge pak, strukturne strane, vidi se kako litijevi atomi izlaze iz svoga mjesta u oksidnom sloju da bi se zagrijavanjem katode u njega vratili.  Stoga proces regeneriranja katode možemo usporediti s igranjem flipera: nakon što smo kuglice ubacili u kućice, one se tresenjem vraćaju na početno, najniže mjesto.    

Proces regeneracije katode Li-NCM  sasvim je jednostavan.  Sve što treba učiniti je zagrijati je na 125 – 300 ^oC, može i na zraku – unatoč zapaljivosti litija. No, napominju autori spomenutog rada, „metoda toplinskog tretmana nije dovoljno praktična za izravnu industrijsku upotrebu“. Iako se katoda ne može grijanjem oštetiti, to se ne bi moglo reći za druge dijelove baterije poput elektrolita, kućišta ili izolatora. Stoga nema ništa od toga da bi se baterija – u sadašnjoj  izvedbi – stavila u pećnicu ili, još bolje, zagrijala u automobilu. No ipak, moglo bi se poraditi na njeznoj konstrukciji (npr. da se katoda može jednostavno odvojiti), a mogli bi se pronaći i drugi agensi, osim topline, koji bi preveli katodu iz metastabilnog u stabilno stanje. Što će od svega toga biti – vidjet ćemo.

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.