Svi smo to prošli. Pravokutna ikona u gornjem desnom kutu zaslona zacrveni se i treperi što znači da je baterija skoro prazna. No, problemi s baterijama daleko su veći od ove manje smetnje. Baterije su ključni dio budućnosti zelene energije, koja ipak nije savršena.
POGLEDAJTE VIDEO: Gradovi budućnosti
Veliki dio naše energije u budućnosti dolazit će od obnovljivih izvora kao što su sunčeva energija i energija vjetra. Međutim, ima dana kada sunce ne sja i vjetar ne puše. Kako bi izjednačili opskrbu, moramo pohraniti višak energije dobivene od obnovljivih izvora dok je ne budemo spremni iskoristiti. Baterije nam u tome uvelike pomažu. Potrebne su nam velike količine baterija ako mislimo napajati zamišljenu količinu električnih automobila i mobilnih uređaja.
Problem je u tome što i najbolje baterije imaju svoje nedostatke. Jedna velika prepreka je činjenica da litij-ionske ćelije koriste litij kao ključnu komponentu. On se rudari u obliku soli.
Europa trenutno nema velikih zaliha, stoga se oslanja na uvoz iz svega nekoliko područja, kao što su Australija i Čile. Osim toga, litijske su baterije skupe, imaju ograničen kapacitet pohrane i gube učinkovitost nakon ponovnog punjenja.
Ako ih želimo poboljšati, prvo moramo razumjeti kako funkcioniraju. Tradicionalne litij-ionske baterije imaju tri ključne komponente. Postoje dva čvrsta dijela koja se zovu elektrode - anoda i katoda - i tekućina koja se zove elektrolit. Kada se baterija isprazni, elektroni izlaze iz anode na katodu kako bi napajali bilo koji uređaj na koji je spojena. Pozitivni litijevi ioni se rasprostranjuju kroz elektrolit, privučeni negativnim nabojem katode. Kada se baterija puni, proces je obrnut.
Gustoća energije
Cijeli je proces obrnuta elektrokemijska reakcija. Mnogo je faza u ovom osnovnom procesu s različitim vrstama kemikalija i iona. Projekt ASTRABAT istražuje mogućnost uklanjanja tekućeg elektrolita tako da ga se zamjeni čvrstim elektrolitom ili gelom. U teoriji, ove baterije u čvrstom stanju imaju veću gustoću energije, što znači da mogu duže napajati uređaje. Budući da, za razliku od tipičnih litij-ionskih baterija, ne koriste zapaljivi tekući elektrolit, trebale bi biti sigurnije i brže za proizvodnju.
Elektrokemičarka dr. Sophie Mailley iz Komisije za atomsku energiju i alternativne energije (CEA), Grenoble, Francuska, koordinator je projekta ASTRABAT. Objasnila je da čvrste baterije na bazi litija već postoje. No, takve baterije koriste gel kao elektrolit i uspješno funkcioniraju samo na temperaturama od otprilike 60 °C, što ih čini nestabilnima za mnoge upotrebe.
- Moramo biti inovativni u ovom području kako bi se suočili s problemima klimatskih promjena - kaže dr. Mailley.
Zajedno sa svojim partnerima, dr. Mailley radi na usavršavanju recepta bolje litijske baterije u krutom stanju. Taj se posao sastoji od traženja raznih potencijalnih komponenti za bateriju te utvrđivanja koje najbolje funkcioniraju zajedno. Dr. Mailley kaže da su identificirali odgovarajuće komponente i pokušavaju pronaći načine za povećanje proizvodnje baterija.
Njezin tim također planira utvrditi hoće li biti jednostavnije reciklirati litij i ostale elemente baterija u čvrstom stanju u usporedbi s klasičnim litij-ionskim baterijama. Ukoliko se to pokaže točnim, recikliranje litija moglo bi se povećati, a ovisnost o uvozu smanjiti.
Dr. Mailley procjenjuje da bi se baterije u čvrstom stanju poput one na kojoj radi projekt ASTRABAT mogle uvesti u komercijalnu uporabu u električnim automobilima do 2030. godine, ukoliko istraživanje bude uspješno.
- Ne znam hoće li upravo ove baterije u čvrstom stanju biti sljedeća važna inovacija u području baterija. postoje i mnoga druga rješenja, poput uporabe mangana ili natrija (umjesto litija). To bi također moglo biti dobro rješenje. No, trebamo nastaviti ulagati u istraživanja kako bismo utvrdili koja je sljedeća generacija baterija - kaže dr. Mailley.
Pozitivan naboj
Kada se radi o pohrani energije u svrhu ujednačavanja opskrbe elektroenergetskih mreža, baterije moraju biti pouzdane i velikog kapaciteta, što ih također čini skupima. Korištenje rijetkog litija nije najbolji izbor. Umjesto njega, projekt HIGREEW istražuje drugu vrstu baterije - redoks protočnu ćeliju.
Glavne komponente redoks protočnih baterija dvije su tekućine, jedna koja je pozitivno nabijena, a druga negativno. Kada se baterija upotrebljava, te se tekućine upumpavaju u komoru poznatu kao sklop ćelija, gdje ih razdvaja propusna membrana i tekućine izmjenjuju elektrone – stvarajući struju.
Jedan od koordinatora projekta je i kemičar dr. Eduardo Sanchez iz istraživačkog centra CIC energiGUNE u blizini Bilbaa u Španjolskoj. Objasnio je da je mnogo velikih redoks baterija već u pogonu diljem svijeta i dizajnirane su da budu stabilne i traju oko 20 godina. Međutim, postojeće baterije koriste vanadij otopljen u sumpornoj kiselini, što je štetan i korozivan postupak. Zbog sigurnosnih zahtjeva, proizvodnja ovih baterija rezultira velikim troškom.
- Vanadij ima mnogo pozitivnih strana – jeftin je i stabilan. No nije dobro ako jedna od tih baterija procuri. Potrebno je izraditi izuzetno izdržljive spremnike - kaže dr. Sanchez.
Manje otrovne
Projekt HIGREEW planira napraviti redoks protočnu bateriju koja koristi znatno manje otrovne materijale, kao što su otopine soli u vodi koja pohranjuje ione na bazi ugljika. Sanchez i kolege rade na razvijanju najboljeg recepta za ovu vrstu baterije, testirajući mnoge različite kombinacije soli i kemijskih otopina. Stvorili su popis od nekoliko prototipova koji dobro funkcioniraju te ih pokušavaju nadograditi.
Znanstvenici iz centra CIC energiGUNE trenutačno rade na jednom ogromnom prototipu baterije.
- Moramo se pobrinuti da te baterije nastave biti učinkovite u svim veličinama - navodi dr. Sanchez.
Njegov tim također istražuje metodu uranjanja komercijalno dostupnih materijala za membrane baterija kako bi ih kemijski promijenio, što bi produžilo njihov vijek trajanja.
Dr. Sanchez smatra da redoks baterije imaju blistavu budućnost.
- Rekao bih da je Europa u cvatu, mnoge tvrtke rade na protočnim baterijama - dodaje.
Predviđa da bi proizvodnja redoks baterija u narednim godinama mogla otvoriti mnoge mogućnosti zapošljavanja u Europi.
Istraživanja u ovom članku financira EU. Ovaj je članak izvorno objavljen u časopisu Horizon, časopisu za istraživanje i inovacije EU-a.