Svět naléhavě hledá alternativy k lithiovým bateriím

29. 5. 2024

Použití prvků, jako je lithium, kobalt a nikl, pro výrobu baterií znamená závislost na vzácných (a tedy drahých) toxických materiálech, jejichž těžba a zpracování způsobuje četné problémy s životním prostředím. K získání 1 000 kilogramů lithia jsou potřeba dva miliony litrů vody. Výzkumní pracovníci naléhavě hledají náhražky, které jsou hojné, obnovitelné, biologicky odbouratelné, bezpečné, levné a s malým dopadem na životní prostředí. Řešení může být blízko: Sodík a vápník, dva hojně se vyskytující prvky, které jsou zkoumány, aby se podle předpovědí Evropské unie zabránilo šedesátinásobnému nárůstu poptávky po lithiu během dvou desetiletí.

K nezastavitelnému šíření domácích a přenosných zařízení se přidávají dvě největší výzvy, kterým společnost čelí: Elektrifikace mobility a skladování obnovitelné energie pro zajištění nepřetržitého odběru energie. "Není dostatek iontů lithia, kobaltu a niklu, které by uspokojily potřeby všech," říká John Abou-Rjeily, výzkumný pracovník společnosti Tiamat Energy, která vzešla z francouzského Národního centra pro vědecký výzkum (CNRS) a která navrhuje a vyrábí sodíkovo-iontové baterie.

Jak bylo uvedeno v časopise Horizon UE, tento doktor fyziky a chemie materiálů zkoumá možnosti sodíku, jednoho z nejhojnějších chemických prvků v zemské kůře, který je bezpečnější a levnější na zpracování než lithium. Nevýhodou je, že vyžaduje více místa, a proto současné baterie ještě nejsou vhodné pro velmi malá zařízení.

Nemohou také konkurovat dojezdu, který současné úložné systémy přinášejí elektromobilům, ale mohly by sloužit jako alternativy na kratších trasách, které tvoří většinu cest autem. "I když bych nikdy nezpochybňoval dojezd 500 kilometrů lithium-iontových baterií, tento typ sodíkovo-iontových baterií by mohl být konkurenceschopnější na krátké a střední vzdálenosti autem," vysvětluje Abou-Rjeily.

Výzkumníci z Chalmers University of Technology (Švédsko) a Delaware University (USA) pracují podle studie publikované v časopise Energy stejným způsobem. "Existuje tendence požadovat opravdu velkou baterii. Ale podle výzkumů obecně stačí o něco menší, s menším dojezdem než benzínová nádrž, protože jediný čas, kdy byste potřebovali větší autonomii, je cesta trvající šest hodin nebo více, v takovém případě by řidič mohl nabíjet za jízdy. Klade se příliš velký důraz na potřebu opravdu dlouhého dojezdu, což vede ke zvýšení ceny vozidla a většímu využití zdrojů pro elektromobily," říká Frances Sprei, profesorka na Chalmersově univerzitě.

Pro tohoto lékaře v oboru Energetika a životní prostředí je tato změna mentality nezbytná k přizpůsobení nabíjecích zařízení tam, kde lidé tráví nejvíce času: Doma a v práci. Společnost Sprei lituje, že se naopak mnoho evropských zemí zaměřuje na síť dobíjecích stanic na silnicích.

Tato jednoduchá modifikace vnímání potřeb by dále podpořila sodík jako alternativu, protože by umožnila nasazení této technologie v domácnostech a na pracovištích jako systému skladování energie z obnovitelných zdrojů. To je cíl, o který usiluje Magdalena Graczyk-Zajac, hostující profesorka na Technické univerzitě v německém Darmstadtu a členka evropského projektu SIMBA, iniciativy financované EU pro vývoj sodíkovo-iontové baterie pro domácnosti, jejíž první fáze bude ukončena v červnu příštího roku.

Tato výzkumnice se zavázala hledat způsoby, jak ukládat energii zachycenou domácími fotovoltaickými panely do dobíjecí domácí baterie se sodíkovými ionty. To by napájelo domácnosti a nabíjelo elektrická vozidla jejich obyvatel s výrazným snížením nákladů. "Osm až devět měsíců v roce můžete jezdit autem zdarma," říká. Prototyp je již v laboratorních testech.

Jedna část baterie, anoda, je vyrobena z tvrdého uhlíku, který může být vyroben ze dřeva nebo biologického odpadu. Další, katoda, může být vyrobena z materiálu zvaného pruská běloba, chemické sloučeniny ze stejnojmenného modrého pigmentu, ale s větším obsahem sodíku a bohaté na železo, jeden z nejhojnějších kovů.

Baskické výzkumné centrum CIC energiGUNE má v této oblasti svůj vlastní vývoj: sodnou kovovou anodu o tloušťce pouhých sedm mikronů (sedmdesátkrát tenčí než ty současné) dosaženou procesem fyzikálního odpařování. Podle tohoto centra pokrok otevírá dveře k výrobě flexibilních polovodičových baterií s tenkou sodíkovou anodou, což je bezpečnější, levnější a menší alternativa k současným bateriím s kapalným elektrolytem, ve kterých se používá grafit.

"Sodík nelze snadno laminovat kvůli jeho lepkavé struktuře, která se podobá plastelíně," vysvětluje Montse Galcerán, hlavní výzkumný pracovník tohoto projektu. "Dosud byla nejběžnější metoda používaná k válcování bloku sodíku tak zásadní, jako je jeho zpracování kladivem, ale to znamenalo, že nebylo možné získat tenký a homogenní list, a proto byl v bateriích velký přebytek nevyužitého sodíku. Díky odpařování se nám podařilo tuto překážku překonat," říká.

Toto ztenčení anody umožňuje výzkumníkům snížit množství potřebného sodíku, stejně jako náklady, hmotnost a rozměry baterií a zároveň zvýšit hustotu energie (větší úložnou kapacitu) a bezpečnost.

Dalším prvkem, který se používá jako náhrada lithia, je vápník. "Je to jeden z nejhojnějších prvků v zemské kůře a není koncentrován v konkrétních geografických oblastech, jako je tomu v případě lithia. Pokud je levná surovina, mohou být levné i baterie," říká Rosa Palacín z Institutu materiálových věd v Barceloně (ICMAB-CSIC) a členka projektu CARBAT.

Použití vápníku jako záporné elektrody nabízí výhody oproti grafitu v lithium-iontových bateriích, protože má větší akumulační kapacitu na kilogram (hustotu energie) než konvenční lithiové baterie, které také tvoří drobné tuhé struktury zvané dendrity a mohou způsobit zkrat nebo explodovat po mnoha použitích, podle této instituce.

"Když vápník prochází elektrolytem, vytékají ven dva elektrony místo jednoho, jako v případě lithia. Dá se předpokládat, že stejně velká baterie by při použití v elektromobilu nabízela větší autonomii, pokud by se našla vhodná kladná elektroda," vysvětluje Palacín.

Klíčem je výběr nejvhodnějších komponent. "Zdá se, že nakonec všechny soli pracovních elektrolytů obsahují bór. Používáme tetrafluoroborát vápenatý rozpuštěný ve směsi ethylenu a propylenkarbonátu," říká vědec.

Další výzkumníci z Dánské technické univerzity hledají v rámci projektu SALBAGE baterii vyrobenou z hliníkové anody a sirné katody. Hliník je ještě hojnější než vápník, ale jeho začlenění do baterie představuje podobné potíže.

"Všechny použité materiály jsou levné. Hliník, síra, samotný elektrolyt a močovina jsou velmi, velmi levné. Dokonce i polymer je," říká výzkumník Juan Lastra, který obhajuje tuto možnost ukládání energie z větrných nebo solárních parků.

Zdroj v angličtině: ZDE