Svijet grabi velikim koracima prema eri električnih automobila. Saznajemo na ovim stranicama da Beču još malo fali do tisućite punionice. U direktivi Europske unije iz 2018. godine zacrtan je plan prema kojem bi naš kontinent trebao postati predvodnik u razvoju, proizvodnji i upotrebi ključnog elementa za „aute na utičnicu“ – a to su, zna se, baterije. No da bi se to ostvarilo, treba ispuniti mnoge uvjete, a jedan je i posjedovanje vlastitih izvora sirovina. Ima li ih Europa? Ima li Europa ležišta metalnih ruda za proizvodnju litij-ionskih baterija, ruda kobalta i litija? Kobalta ima u četiri, a litija u pet zemalja. Ili, da budem konkretniji, rudnike kobalta ima Finska, Francuska, Švedska i Slovačka, dok litij proizvodi Austrija, Češka, Njemačka, Slovačka i Švedska. (Dodajmo tome i novootkrivena ležišta litija u Srbiji, no Srbija nije članica Europske unije.)

No ni druge zemlje i državne zajednice ne zaostaju niti žele zaostati za Europom i Europskom unijom. Sve u svemu, uskoro možemo očekivati pojavu nove gladi, gladi za novim sirovinama. Nafta će otići u zaborav, a ratovi će se – trgovački i oni drugi – voditi oko kobalta, a posebice oko litija. To kažem zato što će potražnja za litijem još više porasti kada se ovlada termonuklearnom reakcijom, jer je litij, a ne tricij, primarno gorivo za buduće fuzijske reaktore: tricij se dobivati reakcijom neutrona, koji zrače iz reaktora, s litijem koji ga okružje. Gdje je rješenje?

Rješenje je u metal-ionskim baterijama, ali takvima koje će umjesto litija koristiti natrij, a možda i druge jeftine, svima dostupne metale poput magnezija ili aluminija. Što da ne? Natrij i litij su vrlo slični, oba elementa pripadaju istoj, prvog skupini periodnog sustva, skupini alkalijskih metala. Oba elementa grade jednovalentne ione (Li⁺, Na⁺), tale se pri niskoj tempreraturi (litij na 180, natrij pri 98 ^oC), oba metala burno reagiraju s vodom (natrij burnije) te grade analogne spojeve, kloride, okside, karbonate… No kada se napravi baterija u kojoj je litij zamijenjen natrijem, eto nevolje. Na njezinoj anodi počinje rasti „šuma“ izlučenog natrija, natrijevi dendriti. Kako tome stati na kraj, kako postići da se natrij taloži u više-manje urednim slojevima, a ne da raste na anodi poput šume ili, bolje reći, poput šikare i korova?

Toga su se problema, uz mnoge druge istraživače, prihvatili i znanstvenici iz Kine i Sjedinjenih Država, pa su u rujnu ove godine objavili u časopisu Chem znanstveni rad „Ion-solvent chemistry-inspired cation-additive strategy to stabilize electrolytes for sodium-metal batteries“ iz čijeg se naslova može zaključiti da rješenje problema vide u kationskom aditivu (cation additive). Iza tih teško razumljivih riječi krije se zamisao o tvari, aditivu, koja bi se trebala vezati za anodu te tako sprečavati da natrij stvara dendrite. Aditiv bi trebao nositi pozitivan naboj, kao i natrijevi ioni, no ne bi se smio reducirati kada ga anoda privuče negativnim nabojem (anoda je pri punjenju baterije, tj. pri deponiraju metala, negativna elektroda).

Ni litijevi ni natrijevi ioni ne putuju kroz otopinu (elektrolit) sami, kao Li⁺ ili Na⁺. Pri elektrolizi vodene otopine natrijeva klorida (vulgo: slana voda), natrijev ion vuče sa sobom molekule H₂O. I u metal-ionskoj bateriji ioni vuku nešto sa sobom, ali to nisu molekule vode nego molekule organskog otapala. U konkretnom slučaju otapalo je 1,2-dimetiloksietan (DME), organski spoj formule CH₃–O–CH₂CH₂–O–CH₃.

I gdje je rješenje? (Da konačno odgovorim na pitanje iz naslova.) Rješenje je, kratko i jasno, u tome da se u elektrolit, u kojem se nalazi natrij u obliku njegove soli s fosforovim heksafluoridom, NaPF₆, doda malo litijeve soli, LiPF₆. Oba će iona graditi s otapalom komplekse s jednom, dvije, no ponajviše s tri molekule, [Na(DME)₃]⁺ i [Li(DME)₃]⁺. Natrijev će kompleks primiti elektron, pa će se iz kompleksa oslobođeni natrij istaložiti na anodi. No to se neće dogoditi i s litijevim kompleksom jer napon dovoljan za redukciju natrija nije dovoljan i za redukciju litija. Stoga će litijev kompleks anoda čvrsto, elektrostatičkom silom držati uz sebe sprečavajući da izlučeni natrij izraste u šumu i šikaru.

Kada su autori rečenog rada priredili elektrolit u kojem je na svaka dva iona natrija dolazio jedan ion litija (0,8 M NaPF₆ + 0,4 M LiPF₆) uspjeli su spriječiti stvaranje dendrita i tako postići da natrij-ionska baterija može izdržati i više od 200 ciklusa punjenja i pražnjenja. Nisu mogli, istina, napraviti bateriju sasvim bez litija, ali su uspjeli postići znatnu uštedu u tom rijetkom metalu. (Gledamo po broju atoma – množinski, molarno – ušteda je 66 % (2/3), ali s obzirom na masu ušteda iznosi čak 87 %, jer je litijev atom 3,3 puta lakši od atoma natrija.)  

Nakon izlučivanja natrija mogao bi se narinuti viši napon pri čemu bi došlo do redukcije litijeva kompleksa. Bio bi to put prema hibridnoj litij-natrijevoj bateriji. Možda i nju vidimo u ne tako dalekoj budućnosti.

Nenad Raos 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. 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.