Świat czeka na nowe baterie

Rewolucja dopiero ma nadejść. Wedle prognoz do końca dekady co trzeci samochód na świecie będzie miał napęd elektryczny. Jednocześnie coraz częściej wykorzystujemy źródła odnawialne. Już dziś jednak jedną z najpoważniejszych przeszkód na drodze do całkowitego przejścia na czystą energię jest brak tanich i skutecznych sposobów magazynowania jej w dni pochmurne, czy bezwietrzne, bo nie mamy dostatecznie mocnych baterii.

W ubiegłym roku na świecie wyprodukowano akumulatory litowo-jonowe o łącznej pojemności 95,3 GWh. Globalny rynek litu jest wart prawie 4,5 mld dol. i pewne jest, że jego wartość będzie rosła, choćby dlatego, że już za trzy lata globalna produkcja baterii litowo-jonowych ma się zwiększyć czterokrotnie, do 410 GWh. Równolegle trzykrotnie wzrośnie zapotrzebowanie na sam lit. Według firmy analitycznej GlobalData dziś wydobywamy 47 kiloton tego surowca rocznie. Za trzy lata ma to być już 117 kiloton.

Problem w tym, że nikt dziś nie jest w stanie z cała pewnością powiedzieć, czy za jakiś czas będziemy mogli i chcieli lit wydobywać. Choć nie jest to najrzadszy metal, zwykle występuje bardzo małym stężeniu. Jego złoża, opłacalne do wydobycia, znajdują się w zasadzie tylko w dwóch regionach na świecie: w Australii i w Andach, u styku Chile, Boliwii i Argentyny. W Australii lit pozyskiwany jest z kopalń, co nie pozostaje bez wpływu na środowisko, a z czasem stanie się coraz mniej opłacalne. Z kolei w Ameryce Południowej lit pochodzi z solanek. Do pozyskania tony tego metalu potrzeba blisko dwóch milionów ton wody. Już prowadzi to do katastrofalnego osuszenia okolicznych terenów.

Kolejny pierwiastek powszechnie wykorzystywany w bateriach to kobalt. To dla odmiany bardzo rzadki pierwiastek. Blisko połowa złóż znajduje się w Demokratycznej Republice Konga. Zatrudnieni w tamtejszych kopalniach górnicy zwykle pracują w dramatycznie złych warunkach, bez jakiegokolwiek sprzętu ochronnego, zarabiając przy tym poniżej 3 dol. dziennie. Sporą grupę zatrudnionych są osoby nieletnie. Z tego powodu m. in. Apple, Dell i Tesla zostały półtora roku temu pozwane przez organizacje broniące praw człowieka za wykorzystywanie do pracy niewolniczej dzieci.

Inny typ baterii litowej wykorzystuje katodę wykonaną z manganu i niklu, ale to również są metale rzadkie.

To wszystko sprawia, że fundament rewolucji, która ma uchronić świat przez zmienieniem go w nienadającą się do życia szklarnię, bardzo szybko może się stać wyjątkowo kruchy. Stąd pooszukiwanie alternatyw.

W wyścigu po następcę litu - jak zauważa magazyn "New Scientist" - kandydatów jest wielu, ale jednym z faworytów może się okazać pierwiastek tak powszechny, że niemal na pewno znajduje się w każdej kuchni. Sód jest jednym z dwóch składników soli stołowej. Sodowe baterie mogłyby być tańsze i prostsze w budowie. Najpierw trzeba je jednak zbudować, a technologię uczynić powszechną.

Już wiadomo, że baterie sodowo-jonowe można z powodzeniem tworzyć z materiałów dostępnych w każdej polskiej wiosce, bez potrzeby wchodzenia do kopalni, czy wykorzystywania solanek z drugiego końca świata. Sód, z której można budować katody baterii, może pochodzić ze zwykłej soli stołowej, a anody można stworzyć nawet z węgla brunatnego, drewna czy innej biomasy. Prototypy takich baterii powstają od lat. Jest jednak z nimi pewien problem.

Sód i lit są pokrewnymi pierwiastkami o zbliżonych właściwościach chemicznych, choć sód nie ma tak wysokiej gęstości energetycznej, jak jego krewniak. Obecnie, parametry baterii sodowo-jonowych są daleko w tyle za litowo-jonowymi. Naukowcy szacują, że technologie dzieli mniej więcej 20 lat postępu. Najnowsze prototypy dają jednak nadzieję na szybkie zniwelowanie tej przepaści.

W maju zeszłego roku zespół z Korei Południowej zaprezentował prototyp baterii opartej na sodzie, która przetrwała ponad 500 cykli ładowania i rozładowywania zanim jej pojemność nie spadła do 80 proc. Inny, amerykańsko-chiński zespół, zbudował opartą na innej technologii baterię sodowo-jonową, która przetrwała 450 cykli. Chiński prototyp zniósł bez problemu aż 1200 cykli szybkiego doładowywania.

Jednocześnie naukowcy zapewniają, że w laboratoryjnych testach baterie poddawane są o wiele większym obciążeniom, niż w realnym świecie, bo podczas prób prowadzonych przez inżynierów, akumulatory są ładowane do pełna i rozładowywane zupełnie, co podczas normalnego użytkowania zdarza się rzadko.

Sód ma jednak wady. Jest trzykrotnie cięższy od litu, skutkiem czego masy nabierają także akumulatory. Są też mniej pojemne, bo operują przy mniejszym napięciu. Ten problem może jednak zostać rozwiązany dzięki wykorzystaniu grafenu, który - po dodaniu do akumulatora - pozwalałby gromadzić w nim zdecydowanie więcej energii. Próby z takimi wzbogaconymi o grafen bateriami przeprowadzili już uczeni z Centrum Helmholtza w Dreźnie. 

Badania nad nadającymi się do masowej produkcji bateriami sodowo-jonowymi mogą jeszcze potrwać, ale biorąc pod uwagę stawkę wyścigu i to, że największe koncerny inwestują miliony dolarów w badania, na zwycięzców nie będziemy raczej długo czekać.