Svetu su neophodne bolje i efikasnije baterije, posebno automobilskoj industriji

Povezane objave

• Toplotni talasi na oba Zemljina pola zabrinjavaju naučnike 22/03
• Da li Evropa ulazi u zlatno doba astronomije? 12/01
• Tradicije ljubljenja širom sveta 29/11

Da bi električna vozila preuzela primat, neophodna su značajna unapređenja na planu baterija.

Kada su potrošačke litijum-jonske baterije debitovale 1990-ih, bile su revolucionarne: punile su se za nekoliko sati ili manje i učinile naše moderne računare i telefone zaista prenosivim. Međutim, tri decenije kasnije, ovoj tehnologiji baterija je potrebna velika nadogradnja, pošto surova realnost klimatskih promena znači da litijum-jonske baterije ne moraju samo da napajaju naše uređaje, već i naše automobile. To je već mnogo teže.

Litijum-jonske baterije postale su uobičajeni oblik skladištenja energije, jer imaju izuzetno visoku energetsku gustinu, što znači da mogu da skladište mnogo energije u relativno maloj zapremini. Sam litijum je najlakši metal u periodičnoj tabeli, što čini litijum-jonske baterije izuzetno prenosivim. Kako je ova tehnologija ugrađena u električna vozila (EV), ove baterije su dovedene do svojih granica.

Mogu se puniti i isprazniti ograničen broj puta, a možda smo dostigli gornju granicu njihovog skladišnog kapaciteta. Ovo je jedna od najvećih briga koje ljudi imaju s električnim vozilima jer je veći kapacitet podrazumeva duži domet. Baterije takođe zauzimaju ogromnu količinu prostora u automobilima same po sebi i na njih se odnosi najveći deo mase, što znači da ne možemo samo dodati još baterija da bismo dobili širu autonomiju kretanja.

Dakle, da bi EV revolucija uspela, baterije moraju biti bolje. Moraju ići još dalje uz jedno punjenje, a moraju imati i manju težinu. EV baterije takođe moraju biti manje sklone izbijanju plamena, što je retko, ali veoma zabrinjavajuće. (Plinski i hibridni automobili takođe imaju rizik od požara.) Chevy je nedavno morao da povuče svaki Bolt koji je ikada prodao zbog rizika od požara prouzrokovanog baterijom. Litijum-jonske baterije u automobilima danas bi mogle profitirati na novim materijalima. Trenutno se prave od sirovina kojih nema u izobilju, poput kobalta i nikla, koji su sve skuplji. Nedostatak ovih materijala bi na kraju mogao da zaustavi proizvodnju električnih vozila u automobilskoj industriji, a izvršni direktor proizvođača električnih vozila Rivian, nedavno je upozorio da svet proizvodi manje od 10 odsto ćelija EV baterija koje će mu biti potrebne za deset godina.

Trka za rešavanje ovih problema se ubrzava. Dugogodišnji proizvođači baterija kao što su CATL i LG Energy Solution preispituju osnovnu hemiju baterija kako bi one bolje funkcionisale u električnim vozilima. U međuvremenu, Ford i GM ulažu u nova istraživanja, nadajući se da će ostvariti prednost nad Teslom. Čak se i američka vlada uključuje u čitavu priču: u martu, predsednik Džo Bajden se pozvao na Zakon o odbrambenoj proizvodnji — zakon iz 1950. koji omogućava predsedniku da podstakne domaću proizvodnju određenih proizvoda u hitnim slučajevima, kako bi povećao snabdevanje zemlje retkim metalima i materijalima koji se koriste u električnim automobilima.

Sve je to dobro, ali vreme je bitno. Klimatske promene se samo ubrzavaju, a svaki novi automobil koji radi na fosilna goriva samo pogoršava pretnju. Srećom, bolja tehnologija baterija nije samo u razvoju; počinje da dolazi na tržište.

Litijum-jonska baterija

Elekotromobil ne napaja jedna velika baterija, već hiljade manjih ćelija. Svaka od njih ima četiri ključne komponente koje čine bateriju: anodu, katodu, separator i elektrolit, koji je obično tečnost. Da bi napajali uređaj poput automobila, naelektrisani atomi ili molekuli koji se nazivaju joni, kreću se od anode do katode kroz elektrolit, oslobađajući svoje dodatne elektrone na putu i ​​proizvodeći električnu energiju. Da bi se baterija napunila, dešava se suprotno: elektroni teku u bateriju, a joni se vraćaju sa katode na anodu, stvarajući potencijalnu energiju koju baterija može kasnije da isprazni.

U slučaju litijum-jonskih baterija, ovi joni su, naravno, litijum-joni. Sony je svojevremeno prodao prvu litijum-jonsku bateriju za napajanje jednog od svojih kamkordera, a tehnologija baterija je ubrzo postala sveprisutna u potrošačkoj elektronici. Delom zato što su sada tako široko dostupne, proizvođači automobila su se okrenuli litijum-jonskim baterijama za napajanje svojih električnih automobila. Da bi to uradili, obično pakuju desetine ćelija litijum-jonskih baterija u veće zaštitne školjke, koje se nazivaju moduli. Ovi moduli se zatim sklapaju u još veći paket baterija, koji napaja EV.

Međutim, litijum-jonske baterije nisu baš savršene za električne automobile. Osim malo verovatnog, ali postojećeg rizika od izbijanja plamena, prosečno električno vozilo ima domet od 420 kilometara. To je dovoljno za svakodnevna putovanja, ali mnoge vozače čini zabrinutim kada su u pitanju duže ekskurzije.

Sam litijum takođe stvara brojne probleme. Njegovo iskopavanje nije posebno ekološki prihvatljivo, a trenutno svet nema dovoljno rudnika litijuma da bi obezbedio dovoljno materijala za broj EV baterija koje će nam biti potrebne. Takođe postoji sve veća zabrinutost u vezi sa drugim metalima koji se obično koriste u litijum-jonskim baterijama, konkretno kobaltom, koji se prvenstveno vadi u Demokratskoj Republici Kongo i povezan je sa dečijim radom i pitanjima ljudskih prava.

Novi materijali

Relativno logično, najbolji način da se napravi bolja baterija uključuje ugrađivanje različitih materijala u konvencionalnu litijum-jonsku tehnologiju. Novi materijali dolaze sa svojim prednostima i nedostacima, a neke kombinacije bi mogle biti bolje za električna vozila od drugih.

Jedna od ovih kombinacija se zove litijum-gvožđe-fosfatna baterija, koja uključuje jeftinije materijale u katodu baterije. Iako ove baterije ne mogu da spakuju toliko energije kao druge litijum-jonske baterije, one omogućavaju proizvođačima automobila da naprave više baterija za manje novca i stoga nude više električnih vozila po nižoj ceni. Litijum-gvožđe-fosfatne baterije se već široko koriste u Kini, a Tesla je prošle jeseni najavio da će početi da koristi ovu hemiju u svojim vozilima standardnog opsega.

Drugi pristup menja materijale u anodi baterije. Mnoge litijum-jonske baterije trenutno imaju anode napravljene od grafita, jer je relativno jeftin i traje dugo. Međutim, nekoliko startapa umesto toga koristi silicijum, istu stvar koja se koristi za pravljenje kompjuterskih čipova. Baterije sa silicijumskim anodama mogu držati 10 puta više napunjenosti od anoda napravljenih od grafita i povećati ukupni energetski kapacitet baterije. Kompanije poput Sila Nanotechnologies, ​​NEO Battery Materials i Enovix trenutno usavršavaju svoja rešeja.

Dobra ideja

Kao što joj ime govori, čvrsta baterija koristi čvrsti elektrolit umesto tradicionalnog. Ovaj čvrsti materijal nije jedan džinovski blok, već sloj materijala poput auto stakla ili keramike. Čvrsti elektroliti su kompaktniji, što znači da čvrste baterije mogu biti manje i skladištiti više energije. Još jedna prednost je što čvrsti elektroliti nisu zapaljivi kao tradicionalne litijum-jonske baterije, a takođe im nije potrebna ista infrastruktura za hlađenje.

Baterije u čvrstom stanju se i dalje suočavaju sa stvarnim preprekama. Skupe su i teške za masovnu proizvodnju, tako da su se do sada prvenstveno pojavljivale u laboratorijama. Još jedan izazov je to što mnogi dizajni čvrstih baterija imaju anodu napravljenu od litijuma, umesto od grafita. Naime, litijum ponekad formira dendrite, grane metala koje cure s anode u elektrolit, što može izazvati pucanje i kratkospojnost čvrste baterije.

To ne čini ove baterije ćorsokakom. Već su ugrađene u neke pejsmejkere, prototipove slušalica i druge elektronske komponente, a sada automobilski giganti istražuju kako da prilagode tehnologiju kako bi na kraju mogli da rade i u automobilima. Već postoje neki ohrabrujući znaci napretka: Volkswagen, Ford i Stellantis su uložili u dotičnu tehnologiju. Toyota planira da predstavi hibridno vozilo koje koristi čvrste baterije do 2025. godine, a Nissan se nada da će lansirati EV koji koristi čvrste baterije do 2028. Još jedna kompanija, pod nazivom QuantumScape je podelila istraživanje koje sugeriše da baterija u čvrstom stanju može da radi i puni se brže od drugih baterija, kada se kombinuje sa drugom idejom: baterijom kojoj uopšte nije potrebna anoda.

Baterije u obliku automobila

Na kraju, litijum-jonske baterije možda uopšte ne moraju da liče na baterije. One mogu jednostavno postati deo onoga što napajaju. To je ideja koja stoji iza strukturalnih baterija, koje bi imale dvostruku bateriju kao drugi deo vozila, poput karoserije automobila ili trupa aviona.

Ovo bi moglo da reši osnovni izazov sa baterijama, a to je što su neverovatno velike i teške. Omogućavanje da deo vozila služi i kao izvor energije bi, teoretski, mogao da smanji ukupnu veličinu električnih automobila. To bi takođe značilo, potencijalno, korišćenje manje sirovina u celini.

Ovaj koncept se postepeno ugrađuje u vozila koja su već na putu. Tesla je dizajnirao novu strukturnu bateriju koja će se direktno pričvrstiti na sedišta unutar konkretnog modela vozila. Volvo, na sličan način, planira da smanji otisak svojih baterija tako što će ih dizajnirati tako da budu u obiliku poda automobila, a GM već uvodi elektromobile koji koriste baterije da ojačaju šasiju vozila. Ovo bi trenutno moglo zvučati kao malo prilagođavanje, ali bi moglo utrti put automobilima koji se u potpunosti pokreću sopstvenim konstrukcijama, a možda čak i avionima.

“Bum” u vezi s baterijama postaje još veći

Pogon vozila će biti herkulovski zadatak za baterije, ali neće biti jedini. Da bismo se oslobodili fosilnih goriva, moramo da koristimo obnovljive izvore energije, poput sunčeve energije i energije vetra. Međutim, pošto sunce i vetar nisu uvek tu kada nam je potrebna energija, moramo da skladištimo onu koju oni obezbeđuju kada nam je potrebna. To znači da će našim domovima, gradovima, pa čak i električnoj mreži biti potrebne baterije, one koje su zaista, stvarno velike.

Ove baterije neće nužno imati iste potrebe kao baterije koje se koriste u automobilima, kao što one koje koristimo za automobile nemaju iste zahteve kao jedinice koje napajaju naše telefone. Na kraju krajeva, baterija koja skladišti energiju za vašu kuću ne mora da bude posebno lagana, svakako je nećete pomerati, a takođe ne mora da se puni brzo. To znači da ovim baterijama uopšte neće biti potreban litijum, i čak bi se mogle napajati novim alternativama, kao što su natrijum i cink. Ipak, iako ove pojedinačne baterije neće sve biti iste, sve one će igrati ključnu ulogu u pokretanju budućnosti i usporavanju klimatskih promena, u svakom slučaju barem za sada.

Svakako je moguće da bismo u budućnosti mogli napajati naše automobile futurističkim gorivima, ili možda čak i prenosivim nuklearnim reaktorima. Međutim, svi znaci ukazuju da te tehnologije neće uskoro biti spremne. Za sada, baterija je najbolje što imamo.