Nove sestavine za prihodnje baterije

Dandanes zaradi naraščanja uporabe obnovljive energije glavni izziv pri energetski revoluciji ni dobava energije, temveč njeno shranjevanje. Za poganjanje avtomobilov, električnih koles in naprav potrebujemo čistejše, do okolja bolj prijazne baterije, ki zdržijo dlje.

Trenutno imajo tudi najboljše baterije pomanjkljivosti. Ena od glavnih težav je, da je ključni sestavni del litij-ionskih celic litij, ki ga rudarijo v obliki soli. V Evropi trenutno ni nobenih večjih zalog litija, zato se zanašamo na uvoz. Poleg tega so litijske baterije drage, imajo omejeno kapaciteto in po več polnjenjih izgubijo svojo zmogljivost.

Če jih želimo izboljšati, moramo najprej razumeti, kako delujejo. Običajne litij-ionske baterije imajo tri ključne sestavne dele – dve trdni komponenti, ki se imenujeta elektrodi (anoda in katoda), in tekočino, ki se imenuje elektrolit. Ko se baterija prazni, elektroni tečejo od anode h katodi in poganjajo napravo, ki je priključena na baterijo. Pozitivni litijevi ioni se širijo čez elektrolit, saj jih privlači negativni naboj katode. Ko se baterija polni, je postopek ravno obraten. Proces je reverzibilna elektrokemijska reakcija. Obstaja mnogo različic tega osnovnega postopka, z različnimi kemikalijami in ioni. V okviru projekta Astrabat trenutno raziskujejo možnost, da bi tekoči elektrolit nadomestili s trdnim ali elektrolitom v gelu. V teoriji naj bi baterije s trdnim elektrolitom imele večjo energijsko gostoto in posledično zdržale dlje. Bile naj bi tudi bolj varne, poleg tega pa naj bi se jih dalo hitreje proizvajati, saj v nasprotju z običajnimi litij-ionskimi baterijami ne bi vsebovale vnetljivega tekočega elektrolita.

Koordinatorka projekta je elektrokemičarka dr. Sophie Mailley, članica Komisije za atomsko energijo in alternativne energije (CEA) iz Grenobla v Franciji. Razloži, da baterije s trdnim elektrolitom na osnovi litija že obstajajo. A elektrolit v teh baterijah je v obliki gela, dobro pa delujejo le pri temperaturah okrog 60 stopinj Celzija, zato so v mnogih primerih neuporabne. Skupaj s svojo ekipo poskuša izpopolniti recept za boljše baterije s trdnim elektrolitom na osnovi litija. To pomeni, da veliko časa namenijo pregledovanju možnih sestavin za baterije in preizkušanju različnih kombinacij, da ugotovijo, katere se obnesejo najbolje. Dr. Sophie Mailley pravi, da so že našli ustrezne sestavine in da zdaj poskušajo ugotoviti, kako bi lahko povečali obseg proizvodnje takih baterij.

Eno od naslednjih vprašanj, ki se mu bo z ekipo posvetila, je, ali bo kaj lažje reciklirati litij in druge sestavne dele iz baterij s trdnim elektrolitom kot pa iz običajnih litij-ionskih baterij. Če bo odgovor pritrdilen, bi to pripomoglo k večjemu obsegu recikliranja litija in manjši odvisnosti od uvoza.

Po njenih ocenah bi lahko baterije s trdnim elektrolitom v električnih avtomobilih začeli uporabljati okrog leta 2030, če bodo raziskave dobro napredovale. »Ne vem, ali bodo te baterije s trdnim elektrolitom naslednja pomembna inovacija na področju baterij,« dodaja. »Možnih rešitev je veliko, namesto litija bi, na primer, lahko uporabljali mangan ali natrij. Take baterije bi se morda dobro obnesle. V vsakem primeru pa moramo investirati v raziskave za naslednjo generacijo baterij.«

Vanadij ima mnogo prednosti – je poceni in stabilen. A če te baterije začnejo puščati, ni dobro. FOTO: Kai Pfaffenbach/Reuters

Pozitivni naboj

V sklopu projekta Higreew pa raziskujejo pretočne baterije. Njihovi glavni sestavini sta dve tekočini, ena s pozitivnim, druga pa z negativnim nabojem. Ko je baterija v uporabi, se tekočini pretakata in skozi prepustno membrano izmenjujeta elektrone in tako nastaja tok. Koordinator projekta je kemik dr. Eduardo Sanchez iz raziskovalnega centra CIC energiGUNE v bližini Bilbaa v Španiji. Dr. Sanchez pojasnjuje, da je velika količina velikih pretočnih baterij po svetu že v uporabi in da so po zasnovi stabilne, saj je njihova življenjska doba okoli 20 let. Vendar pa obstoječe baterije vsebujejo vanadij, raztopljen v žveplovi kislini, torej gre za strupen in koroziven postopek. Zaradi varnostnih zahtev je njihova izdelava zelo draga. Vsebnike je treba zasnovati tako, da so izjemno trpežni. »Vanadij ima mnogo prednosti – je poceni in stabilen. A če te baterije začnejo puščati, ni dobro.«

V projektu tako želijo ustvariti pretočno baterijo, v kateri bi bile precej manj strupene sestavine, na primer solne raztopine v vodi z ioni na osnovi ogljika. Sanchez s svojimi kolegi razvija najboljši recept za tako baterijo in preizkuša različne kombinacije soli in kemičnih raztopin. Uspelo jim je sestaviti seznam z nekaj prototipi, ki se dobro obnesejo, zdaj pa poskušajo razviti večje različice. Dr. Sanchez vidi svetlo prihodnost za pretočne baterije. »Zdi se mi, da ta panoga v Evropi cveti, da veliko podjetij dela na pretočnih baterijah.« Predvideva, da bi proizvodnja pretočnih baterij v naslednjih letih lahko v Evropo prinesla izjemno veliko novih delovnih mest.

———

Raziskave, omenjene v članku, je financirala Evropska unija. Članek je bil prvotno objavljen
v reviji Horizon, reviji EU za raziskave in inovacije.