Zrównoważone materiały do produkcji baterii? O tak!

Obfitość i niski koszt sodu uczyniły go obiecującą alternatywą dla litu w systemie baterii jonowych. Perspektywy wykorzystania baterii sodowo-jonowych w obecnej technologii wydają się korzystne – o ile spełnione zostaną wytyczne dotyczące kosztów, bezpieczeństwa, stabilności i gęstości energii.

W jaki sposób bioodpady można wykorzystać w bateriach sodowo-jonowych?

Na to pytanie ma nadzieję odpowiedzieć nowe partnerstwo strategiczne. Australijska firma Sparc Technologies zamierza współpracować z Queensland University of Technology (QUT) z nadzieją na znalezienie znaczącej alternatywy dla baterii litowo-jonowych. Zrównoważone materiały akumulatorowe są poszukiwane w związku z masowym zużyciem urządzeń technologicznych i pojazdów elektrycznych. Z kolei baterie sodowo-jonowe (NIBs) przyciągnęły uwagę całego świata do systemów magazynowania energii nowej generacji.

Potencjał baterii sodowo-jonowych

Wysokowydajny, tańszy, pochodzący ze zrównoważonych źródeł materiał anodowy dla baterii sodowo-jonowych mógłby zaspokoić zapotrzebowanie na rozwijającą się alternatywną technologię baterii. Naukowcy uważają, że baterie sodowo-jonowe mają znaczny potencjał w zakresie magazynowania energii w skali sieciowej i zastosowania mobilnego. Wood Mackenzie przewiduje, że baterie sodowo-jonowe wezmą udział w pasażerskich pojazdach elektrycznych i magazynowaniu energii, osiągając 20 GWh do 2030 r. w scenariuszu bazowym.

Istniejące materiały z węgla kamiennego są zazwyczaj pozyskiwane z węglowych prekursorów, takich jak smoła – produkt uboczny przemysłu naftowego i gazowego – które są poddawane długotrwałemu ogrzewaniu w wysokich temperaturach. Jest to bardzo energochłonny proces, który w połączeniu z wysokoemisyjnym surowcem ma znaczący wpływ na środowisko.

Zalety akumulatorów sodowo-jonowych

Akumulatory litowo-jonowe to bardzo dobra technologia, która w wielu przypadkach sprawdza się znakomicie. Ale okazuje się, że nowa technologia może być jeszcze lepsza. We wspólnym komunikacie prasowym Sparc/QUT przedstawiono zalety akumulatorów sodowo-jonowych w porównaniu ich z akumulatorami litowo-jonowymi. Do najważniejszych zalet zalicza się:

• niższy koszt i większa dostępność surowców,
• większe bezpieczeństwo i łatwość transportu,
• podobne techniki produkcyjne do akumulatorów litowo-jonowych – dzięki temu można korzystać z tych samych urządzeń produkcyjnych.

Zakres i cel projektu Sparc/QUT

W ramach projektu Sparc/QUT opracowany zostanie nowatorski proces produkcji węgla kamiennego z wykorzystaniem tanich, pozyskiwanych w sposób zrównoważony, zielonych odpadów biologicznych, przeznaczony dla przemysłu baterii sodowo-jonowych. Materiały z węgla kamiennego zostaną scharakteryzowane i przetestowane w ogniwach sodowo-jonowych, Testowanie odbędzie się w ośrodkach QUT zajmujących się rozwojem i testowaniem baterii, w tym w National Battery Testing Center i Central Analytical Research Facility.

Projekt Sustainable Hard Carbon Anode uzupełnia istniejącą działalność firmy Sparc w zakresie grafenu i energii odnawialnej. Grafen to dwuwymiarowy materiał składający się z atomów węgla ułożonych w siatkę heksagonalną; struktura ta tworzy unikalne i potężne właściwości, które można nadać produktom w celu poprawy ich wydajności.

Ramy długoterminowej współpracy pozwalają firmom Sparc i QUT na wspólną pracę nad identyfikacją i podejmowaniem nowych projektów.

Firma Sparc cieszy się z możliwości nawiązania strategicznego partnerstwa z QUT, rozpoczynając projekt w dziedzinie anod akumulatorowych, polegający na opracowaniu nowatorskiego procesu produkcji węgla kamiennego. Wykorzystanie łatwo dostępnego, zrównoważonego materiału bioodpadowego zapewni firmie Sparc silną propozycję wartości środowiskowej w porównaniu do konwencjonalnych źródeł węgla kamiennego.

Mike Bartels, dyrektor zarządzający Sparc

Mike Bartels dodał również, że materiały stosowane w bateriach sodowo-jonowych są dostępne. Co więcej, ich podaż nie jest kwestionowana, jak ma to miejsce w przypadku baterii litowo-jonowych. Jednocześnie zapewniają one większy poziom bezpieczeństwa w przypadku magazynowania energii na skalę przemysłową.

Historia związana z bateriami sodowo-jonowymi

Sód posiada wiele zalet jako kandydat na nową technologię baterii. Przede wszystkim jest niedrogi i dostępny w dużych ilościach. Z drugiej strony, jego ograniczone możliwości hamują wiele innych projektów badawczych i nadziei na zastosowanie go na dużą skalę.

W istocie, poważna niestabilność fazy stałej elektrolitu (SIĘ – solid electrolyte interphase) tworzonej podczas wielokrotnych cykli utrudnia rozwój baterii sodowo-jonowych. Jednym z dylematów jest stabilizacja ciekłego rdzenia baterii, aby zapobiec problemom z wydajnością, jakie występowały w poprzednich projektach baterii sodowo-jonowych. Gdy bateria przechodzi przez powtarzające się cykle ładowania i rozładowywania, traci zdolność do utrzymywania ładunku.

Naukowcy z Cornell University odkryli również źródło uporczywego problemu ograniczającego trwałość akumulatorów sodowo-jonowych. Słaba trwałość wynika ze specyficznego przetasowania atomów podczas pracy baterii – przejścia fazowego P2-O2 – ponieważ jony podróżujące przez baterię zaburzają struktury kryształów i w końcu je łamią. Przemiana fazowa było przedmiotem zainteresowania naukowców. Jednak mechanizmy za nią stojące były trudne do zbadania, zwłaszcza podczas pracy baterii.

Co będzie potrzebne, aby dział badań i rozwoju Sparc/QUT dostarczył podobnych wyników niezawodności sodowo-jonowych baterii jak obecne wiodące źródła baterii?

Rywalizacja między technologiami akumulatorowymi

Trzy obecnie szeroko stosowane technologie akumulatorów to ołowiowa, litowa i przepływowa redoks wanadu. Istnieje wiele czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze najodpowiedniejszego składu chemicznego akumulatorów, aby spełnić potrzeby firmy w zakresie magazynowania energii.

Dojrzałość technologii

Ołów jest najbardziej dojrzałą komercyjnie z trzech technologii akumulatorów. Ponadto od wielu lat stanowi on podstawowe rozwiązanie wykorzystywane do magazynowania energii. Lit to kolejna dojrzała komercyjnie technologia w wymaganej obecnie skali. Dzięki wysokiej gęstości energii, lit jest obecnie dominującą technologią akumulatorów do magazynowania energii i występuje w wielu różnych kombinacjach chemicznych. Z kolei technologia redoksowych baterii wanadowych jest znana od ponad 50 lat. Jednak jest ona najmniej dojrzała komercyjnie spośród tych trzech technologii.

Trwałość

Ołów jest najbardziej zrównoważonym spośród 3 rodzajów baterii. Cechuje się 99% wskaźnikiem recyklingu i dobrze rozwiniętą gospodarką obiegową, która ponownie wykorzystuje i przetwarza ołów, elektrolit i plastikowe komponenty zużytych baterii. Wanad nadaje się do wielokrotnego użytku prawie w nieskończoność. Elektrolit, który stanowi większość systemu baterii wanadowych, można wysuszyć, w razie potrzeby oczyścić, a następnie wykorzystać w innym systemie. Wskaźnik recyklingu litu wynosi mniej niż 5%, ze względu na koszt i złożoność procesu. Bateria litowa musi zostać rozebrana i rozdrobniona, a następnie przetopiona lub rozpuszczona w kwasie.

Czas działania

Wanad jest najlepiej przystosowany do długookresowego magazynowania energii (czas działania 6 lub więcej godzin). Ma on większą powierzchnię, ale łatwiej go rozbudować. Natomiast lit jest odpowiedni dla krótkiego i średniego czasu (od kilku minut do czterech godzin pracy). Ołów również sprawdza się najlepiej w przypadku krótkiego i średniego czasu pracy. Szczególnie w sytuacjach, gdy głębokość rozładowania jest dość płytka, a niski koszt początkowy to główny czynnik decydujący.

Okres użytkowania, żywotność

Okres użytkowania baterii litowej wynosi około 10-15 lat. Natomiast wanadowej może trwać ponad 30 lat. Akumulatory ołowiowe mogą mieć okres użytkowania do 30 lat, w zależności od konstrukcji i zastosowań.

Bezpieczeństwo

Wszystkie 3 systemy baterii są generalnie bezpieczne, przy założeniu braku wad i uszkodzeń.

Łańcuch dostaw

Ołów jest łatwo dostępny i produkowany w Stanach Zjednoczonych. Krajowy recykling zapewnia 73% krajowego zapotrzebowania na ołów. Stany Zjednoczone posiadają około 4% rezerw litu, a produkują mniej niż 2% światowej podaży. Obecnie nie ma krajowej produkcji wanadu w USA, przez co Stany Zjednoczone są uzależnione od źródeł zagranicznych.

Przemyślenia końcowe

Obawy dotyczące energii i klimatu zwiększyły potrzebę badań w kierunku magazynowania energii elektrycznej. Ze względu na wyjątkowe zalety baterii sodowo-jonowych, takie jak koszty i niemal nieograniczone zasoby, zainteresowanie nimi wyraźnie wzrosło w ciągu ostatnich kilku lat.

Projekt Sparc/QUT daje nadzieję na dodatkowe zasoby zrównoważonych materiałów akumulatorowych i potencjał do włączenia bardziej przyjaznych dla środowiska i jeszcze tańszych opcji niż akumulatory litowo-jonowe.

Źródło:

Sustainable Battery Materials? Yeah, Right — Or, Right On!, CleanTechnica