Tuhanded analüütikud tegelevad igapäevaselt elektritarbimise “ennustamisega”. Nad peavad prognoosima elektritarbimist minutilise täpsusega, et tagada “katelde” küdemine nõudluse rahuldamiseks, sest vastasel juhul saaks meie elektroonikaseadmed kahjustada. Öösel töötavad elektrijaamad vaid poolel võimsusel ja hommikul täisaurul, kui inimesed joovad kohvi ja keedavad putru. Tihtipeale tuleb arvestada isegi erinevate spordiüritustega, näiteks jalgpalli matšidega - jalgpalli maailmameistrivõistluste poolajal kasvab elektritarbimine meeletult, kuna miljonid inimesed lähevad korraga külmkapist õllesid võtma.

Mida aga teha päikese ja tuulega, mille osakaalu suurendamine elektri tootmises on tuleviku energeetika alustala? Päikest ja tuult ei saa nupu-vajutusega käima panna. Meil ei ole elektri tootmisel head “kotti”, kuhu toodetud elektrit varuda. Senistel “kottidel” on kas augud või on head kotid liiga kallid. On vaja midagi odavat, aga samas ka vastupidavat. Oma doktoritöö käigus Tartu ülikoolis leiutangi “uut kotti” - selleks on liitium-ioon patareist inspireeritud naatrium-ioon patarei välja töötamine.

Liitium-ioon patareid tulid turule 1990. aastate alguses ja käivitasid tehnilise revolutsiooni - sai alguse telefonide ja sülearvutite võidukäik. Endiselt kasutatakse neid praktiliselt kõikides liikuvates seadmetes, samuti ka uutes Teslades. Li-ioon patareid on hetkel kõige arenenum patarei-tehnoloogia. Liitium on kõige väiksem ja kergem element, mida saab patareis kasutada. Ainult gaasidena esinevad vesinik ja heelium on liitiumist kergemad. Probleem seisneb aga selles, et liitiumi maailmavarud on ammendumas ning nõudlus liitiumi järele aina kasvab. Ühte Teslat toidab ligi 1300 sülearvuti aku jagu liitium patareisid ja seegi on väike hulk võrreldes tervete elamurajoonide tarbimisega. Seega oleks mõistlikum kasutada liitium- ioon patarei uut sugulast - veidi kogukamat, naatrium-ioon patareid.

Miks naatrium ja naatrium-ioon patarei?

Naatrium on elektrilistelt omadustelt sarnane liitiumile, kuid on maakoores 1000 korda rohkem levinud ja ühtlasemalt jaotunud. Igapäevaelus puutume naatriumiga kokku keedusoola (NaCl) ja söögisooda (NaHCO3) näol.

Naatrium on liitiumist umbes kolmandiku võrra suurem ja seetõttu tekib probleem kui liitium-ioon patareisse lihtsalt liitiumi asemel naatrium sisse panna. Naatrium-ioonid ei mahu miinus-elektroodi, milleks kasutatakse grafiiti (pliiatsisüsi). Grafiit on nagu riiul, kuhu mahuvad vaid väikesed juturaamatud (liitium- ioonid), aga mitte entsüklopeediad (naatrium-ioonid). Mina tegelengi selliste suuremate ja kipakamate riiulite otsimisega, kuhu ka naatrium mahuks. Õnneks saab sellistest “riiulitest” koosnevaid süsisid looduslike taimsete materjalide söestamisel ja keemilisel töötlemisel.

Potentsiaali on seesugustel materjalidel palju, kuid parimat lahendust ei ole veel leitud. Väga palju variante on veel läbi proovimata. Šnitti saab võtta ka teistest valdkondadest, näiteks naftatööstusest, kus töötlemise käigus tekib meeletus koguses ebasoovitavat tahma. Selliseid tahmasid on kasutatud ka naatrium-ioon patareides miinus-elektroodina.

Patarei kui meeskond

Miinus-elektrood on vaid üks komponent patareis. Fuktsioneeriv patarei on nagu jalgapallimeeskond, kus ühest superstaarist ei piisa - kõik liikmed peavad harmoonias koos töötama, et tagada võit. Lisaks pluss- ja miinus-elektroodile (väravavahid) on oluline soolalahus (väljakumängijad), mis võimaldab ioonidel ühest elektroodist teise minna. Soolalahus koosneb omakorda lahustist ja naatriumisoolast, mille omavaheline sobivus ning läbisaamine elektroodipinnaga on äärmiselt oluline patarei toimimiseks. Ruumi säästmiseks on elektroodid pandud üksteisele väga lähedale, mistõttu läheb vaja ka separaatorit. Separaator on kile, mis lubab naatrium-ioonidel läbi minna, kuid hoiab patareid lühistumast, mis muidu põhjustaks patarei hävimise.

Patareinüanssidest võikski rääkima jääda. Iga komponent jaguneb omakorda alavaldkondadeks ja spetsialiseerumine toimub naeruväärsete detailideni. Mõni töögrupp (kümmekond teadlast) uurib aastaid ühte pluss-elektroodi materjali, varieerides lähteainete suhteid piinliku täpsusega ja proovides kõike seda erinevatel sünteesi (kokkamise) temperatuuridel. Materjalide välimus seejuures peaaegu mitte kunagi ei muutu -lihtsalt koguneb sahtlite viisi musti pulbreid väikestes purgikestes. Rõõm ja “eureka” tulevad stiilis: “Oo, siin 100-muhuga graafikul on üks muhk nihkunud paremale” või “Vau, ühe grammi kohta läks 50 milliamprit rohkem sisse”.

Selliste väikeste töövõitudega kogunebki üheks hetkeks hunnik teadmisi ja oskusi, mis võimaldavad naatrium-akud tulevikus elementaarseks tehnoloogiaks muuta. Mul on suur rõõm olla osa nendest püüdlustest.

Teksti ja video autor Ronald Väli on Tartu ülikooli elektrokeemia esimese aasta doktorant, kes tegeleb Na-ioon patareide arendamisega. Väli osales edukalt TÜ kolme minuti videoloengu ja populaarteadusliku artikli konkursil.