Masinile electrice sunt neatractive in prezent si din cauza faptului ca trebuie sa stea o noapte in priza la incarcat, insa peste cativa ani, bateria masinii electrice ar putea fi incarcata in cinci minute, a spus intr-un interviu acordat HotNews si 0-100.ro, Mihai Duduta, chimist roman care lucreaza la un astfel de proiect. Bateriile ar putea deveni mai ieftine si mai performante, iar incarcarea lor se va face prin simpla pompare a unui lichid special, spune romanul de 26 de ani care a realizat una dintre cele mai bune lucrari de licenta la prestigiosul institut american MIT.
Cele mai importante idei din interviu:
- Proiectul la care Mihai si colegii sai lucreaza se numeste semi solid free flow si isi propune, datorita chimiei si a unei noi arhitecturi, sa faca baterii reincarcabile mai ieftine si mai performante decat ce exista pe piata.
- Ideea de baza este ca masina electrica nu va mai trebui tinuta o noapte in priza. In schimb, la o statie de reincarcare, o pompa speciala schimba rapid lichidul descarcat din baterie cu unul 100% incarcat.
- Lichidul din baterie care este schimbat are avantajul ca poate fi de mai multe feluri: unele baterii merg bine cand e cald, altele cand e frig, astfel ca se pot folosi diverse tipuri de lichide adaptate nevoilor. Pot fi alese lichide care sa dea mai multa putere, sau unele care sa dea capacitate mai mare pentru a reincarca mai rar.
- Prin acest sistem bateria poate fi umpluta in numai cinci minute, cam ca la un traditional „plin” pe benzina.
- Mihai este primul angajat al companiei 24M Technologies care dezvolta aceasta tehnologie pentru comercializare. Primul prototip functional ar trebui sa fie gata in 2013, insa solutia va ajunge pe piata dupa 2015.
- Mihai Duduta s-a nascut in 1985 la Suceava si in clasa a 12-a a luat medialia de argint la Olimpiada Internationala de Chimie din Germania. Din 2007 studiaza la MIT unde in 2010 si-a luat licenta cu lucrarea descrisa in acest material.
Interviul pe larg
Vlad Barza: Cum ai ajuns la cunoscutul institut MIT?
Mihai Duduta: Pe scurt, am ajuns in SUA intai la Bard College in 2005, ca fost castigator de Medalie de Argint la Olimpiada Internationala de Chimie (Kiel, Germania 2004). Dupa doi ani la Bard in care am lucrat doar in chimie, am inceput sa fiu foarte interesat de stiinta si ingineria materialelor. Am cautat si am aflat ca MIT avea – si inca are – cel mai bun departament in acest domeniu de ani buni, asa ca am aplicat pentru transfer si am avut norocul sa fiu acceptat exact unde vroiam. De acolo, cand am terminat licenta in 2010, am fost primul angajat al 24M Technologies, compania care dezvolta ideea spre comercializare.
Vlad Barza: In 2008 aveai un proiect prin care aratai cum se poate scoate energie electrica din steaguri. Ce s-a mai intamplat cu proeictul?
Mihai Duduta: Proiectul cu steagurile a fost interesant pentru un concurs de inventica din MIT, dar imediat cum s-a terminat concursul am avut ocazia sa lucrez la proiectul cu bateriile. Mi s-a parut atunci, ca si acum, ca bateriile vor avea un impact mult mai mare, asa ca am decis sa ma concentrez 100% pe baterii. In plus, cu experienta mea de chimist mi s-au parut bateriile o problema mai dificila dar si mai promitatoare pe viitor.
Vlad Barza: Cum a luat nastere ideea proiectului semi-solid free flow?
Mihai Duduta: Ideea a luat nastere in 2008, cand am inceput sa lucrez cu cei doi profesori de la MIT (W. Craig Carter si Yet-Ming Chiang). Prof. Chiang este co-fondator al A123 Systems, companie care face baterii Li-ion pe baza de nanofosfat de fier care sunt folosite in diverse aplicatii interesante gen sistemul KERS (Kinetic Energy Recovery System) din masina de Formula 1 a lui Lewis Hamilton, si au planuri mari de a implementa bateriile lor in masini 100% electrice in urmatorii ani. Cei doi profesori m-au rugat sa imi folosesc experienta de chimist, sa studiez redox flow cells si sa propun cum ar putea fi imbunatatite.
Vlad Barza: In ce consta mai exact conceptul?
Mihai Duduta: Proiectul se cheama „semi-solid flow cell” si imbina doua concepte: redox flow cells inventate la NASA in anii ’70 si bateriile pe Li-ion dezvoltate in principal in Japonia in anii ’90. Redox flow cells sunt baterii in care electrozii (mai precis materialele active) sunt lichide si pot fi scoase din ceea ce voi numi „stack” (zona de reactie electrochimica in care anodul si catodul sunt despartite doar de o membrana) cand sunt incarcate sau descarcate. Astfel se separa puterea bateriei de energia continuta in baterie. Mai precis: vrei mai multa putere – faci „stack”-ul mai mare, vrei mai multa energie – faci rezervoarele de anod si catod mai mare. Ideea e foarte buna, dar sistemele 100% lichide bazate pe apa nu au destula densitate de energie (cam 30 Wh/L pentru cele mai bune redox flow cells pe ioni de vanadiu). Aici intervine ideea noastra originala: in loc de materiale 100% lichide, folosim suspensii coloidale ale unor materiale folosite in bateriile cu litiu ion (ceea ce noi numim Semi-solids). Care sunt avantajele: 1. materialele din Li-ion opereaza la voltaje mai mari decat bateriile din sisteme cu apa (apa e limitata la 1.2 V, apoi incepi sa faci electroliza, bateriile pe Li-ion opereaza la 3-4 V), 2. Li-ion are mai multa capacitate de a stoca electroni decat sistemele apoase, 3. sistemele semi-solide au concentratie mai mare decat sistemele 100% lichide (numele 24M Technologies, compania la care lucrez, vine de la 24 Molar – o concentratie mult mai mare decat a ionilor de vanadiu in redox flow cells obisnuite = 2-3 M).
Vlad Barza: Conceptul are la baza particule solide suspendate intr-un lichid purtator. Ce sunt aceste particule solide si ce este acel lichid, despre ce substante vorbim exact?
Mihai Duduta: Asa cum am prezentat mai sus lichidul este compus din: particule de material activ, particule de carbon si electrolit (amestec de sare de litiu si solventi organici).
Vlad Barza: Proiectul la care lucrezi vrea deci sa elimine dezavantajul ce tine de nevoia ca o masina electrica sa fie tinuta ore in sir in priza la incarcat. Practic voi propuneti ca incarcarea bateriei sa se faca in cateva minute schimband un lichid descarcat aflat in baterie, cu unul incarcat. Detaliaza ce se intampla exact?
Mihai Duduta: Deocamdata masinile electrice, gen Nissan Leaf, sunt limitate de faptul ca trebuie sa se reincarce destul de incet (4-6 ore pentru o reincarcare sigura si completa). Ce propunem noi este un sistem in care lichidul descarcat poate fi inlocuit cu un lichid incarcat la o statie autonoma. Exemplu: imi conduc masina 200 de km de la Suceava la Adjud si bateria e aproape descarcata, dar eu vreau sa ajung la Bucuresti. In loc sa stau 4 ore si sa imi reincarc bateria, intru la o statie de reincarcare, unde o pompa speciala schimba lichidul descarcat cu unul 100% incarcat. Durata: cateva minute, apoi plec in continuare catre Bucuresti. Care ar fi avantajele: sa schimbi un lichid e mai usor decat un intreg compartiment de baterii, nu ai nevoie de multe baterii in plus care sunt scumpe (~50% din costul unei baterii Li-ion vine din materialele inactive – cele care sunt folosite la constructia ei, nu cele care stocheaza energia), energia folosita in reincarcarea lichidului poate fi alternativa (solara, eoliana, etc.) si, foarte important, poti avea lichide diferita in functie de vreme (unele baterii merg mai bine cand e cald, altele cand e frig), in functie de performanta (poti cere lichid care sa dea mai multa putere, sau unul care sa dea capacitate mai mare pentru a reincarca mai rar) s.a.m.d.
Vlad Barza: Cate minute ar ajunge sa dureze umplerea bateriei cu acest sistem?
Mihai Duduta: Ar trebui sa dureze un pic mai mult decat ia sa faci un plin, dar nu mai mult de cinci minute.
Vlad Barza: Un dezavantaj urias al masinii electrice este ca trebuie sa stea sase – opt ore in priza, asa ca e extrem de utila ideea voastra de a schimba pur si simplu lichidul descarcat cu unul incarcat. Dar, pentru oamenii care nu stiu chimie, in ce mod poate fi incarcat cu energie un lichid, de ce utilaje este nevoie pentru a-l incarca si cum se face?
Mihai Duduta: Sistemul de reincarcare al lichidului ar fi foarte asemanator cu stack-ul din masina pentru ca serveste aceeasi functie. Aduce anodul aproape de catod, lasa electronii sa treaca prin circuit si ionii prin membrana. Geometria inca nu este batuta in cuie, dar probabil ar fi ceva asemanator cu o pila de combustie pe baza de hidrogen. Dupa ce lichidul e descarcat, e scos din masina (intr-o aplicatie intr-un autovehicul), tinut intr-un rezervor, apoi trecut prin „stack” si reincarcat, apoi e gata sa fie pus iar in masina.
Vlad Barza: Care ar fi, in numai cateva cuvinte, principala inovatie a proiectului la care lucrezi?
Mihai Duduta: Marea inovatie a semi-solid flow cells este ca va face bateriile reincarcabile mai ieftine si mai performante decat orice altceva de pe piata, din cauza chimiei Li-ion si a arhitecturii redox flow cells.
Vlad Barza: Daca totul merge bine cand veti testa intreg sistemul pe o masina reala?
Mihai Duduta: 24M Technologies, compania care dezvolta aceasta idee, a primit fonduri din partea ARPA-E (Advanced Research Projects Agency for Energy) pentru a produce un prim prototip in urmatorii trei ani – data limita ar fi sfarsitul lui 2013. Totusi, din cauza nenumaratelor teste de siguranta, credem ca tehnologia noastra va fi disponibila din punct de vedere comercial abia in a doua jumatate a acestui deceniu.
Vlad Barza: Spui ca ideea proiectului aduce multe reduceri de costuri, insa la ce capitole adauga costuri? Daca o companie mare va spune „ok, vom folosi ideea voastra” banuiesc ca va trebui sa investeasca milioane de dolari in modificarea proceselor de productie a bateriilor?
Mihai Duduta: Cred ca e mai bine sa privim aceasta tehnologie drept ceva complet inovator: bateria reincarcabila 2.0. Aici intervine 24M Technologies care se angajeaza sa creeze ceva foarte diferit de ceea ce este pe piata in acest moment. Sigur, va fi nevoie de investitii pentru cercetare si apoi productie, dar 24M vrea sa intre pe piata cu o baterie mai ieftina (in termen de bani cheltuiti in raport cu performanta bateriei) decat adversarii. Finalmente, pentru utilizator costul ar trebui sa fie mai mic decat orice altceva, altfel nu am facut mare lucru.
Vlad Barza: Ai primit ceva oferte de a te intoarce in Romania. Ceva companii de aici s-au aratat interesate sa te aiba ca angajat?
Mihai Duduta: In afara de familie si prieteni care ma asteapta intotdeauna cu bratele larg deschise nu am primit alte oferte de a ma intoarce. đ Totusi, in ultimii trei ani am incercat sa dezvoltam aceasta idee cu minimul de publicitate posibil, asa ca nu ma surprinde faptul ca nu am fost abordat de nimeni. Dimpotriva, ma bucur ca am putut dezvolta ideea in relativa liniste pentru a avea un avantaj in fata competitorilor pe viitor.
Cateva date despre Mihai Duduta
S-a nascut in Suceava, in 1985, a fost elev la Colegiul National Stefan cel Mare din Suceava, iar in clasa a 12a a luat Medalia de Argint la Olimpiada Internationala de Chimie din Kiel, Germania. Intre 2005 si 2007 a fost student la Bard College, in Annandale-on-Hudson, NY din, iar in 2007 s-a transferat la MIT. In 2010 si-a luat licenta in Stiinta si Ingineria Materialelor, iar lucrarea, bazata pe semi-solid flow cells, a primit premiul pentru cea mai buna lucrare de licenta in departamentul de stiinta si ingineria materialelor in 2010. Din 2010 lucreaza la 24M, fiind primul angajat.
