Baterie bez litu coraz bliżej masowego rynku. Naukowcy wskazują przełomowy materiał
Baterie litowo-jonowe od lat dominują w elektronice, samochodach elektrycznych i magazynach energii. Naukowcy coraz intensywniej rozwijają jednak technologię, która w części zastosowań może okazać się tańszą i bezpieczniejszą alternatywą. Chodzi o baterie sodowo-jonowe, a szczególnie o ich katody wykonane z analogów błękitu pruskiego.
Najnowszy przegląd badań pokazuje, że właśnie ten materiał ma jeden z największych potencjałów do komercjalizacji wśród katod stosowanych w bateriach sodowych. Jednocześnie naukowcy wskazują kilka problemów, które wciąż blokują produkcję na naprawdę dużą skalę.
Sód ma przewagę, której lit nie może łatwo nadrobić
Największym atutem baterii sodowo-jonowych jest dostępność surowca. Sód jest znacznie bardziej rozpowszechniony w skorupie ziemskiej niż lit, a jego zasoby są szerzej rozłożone geograficznie. To oznacza mniejszą presję na łańcuch dostaw i potencjalnie niższe koszty produkcji.
Dodatkowo w bateriach sodowych można stosować aluminium jako kolektor prądowy zarówno po stronie katody, jak i anody. W klasycznych bateriach litowo-jonowych po stronie anody często potrzebna jest droższa miedź. Autorzy przeglądu wskazują również na dobre zachowanie baterii sodowych w niskich temperaturach oraz korzystne właściwości związane z bezpieczeństwem termicznym.
Ten materiał szczególnie zainteresował naukowców
W bateriach sodowo-jonowych rozwijane są trzy główne rodzaje katod: warstwowe tlenki metali, związki polianionowe oraz analogi błękitu pruskiego, czyli PBA. To właśnie ta ostatnia grupa wypada szczególnie ciekawie pod względem połączenia ceny, parametrów i możliwości produkcji na dużą skalę.
Analogi błękitu pruskiego mają otwartą, trójwymiarową strukturę, która ułatwia przemieszczanie się jonów sodu. Ich teoretyczna pojemność właściwa może sięgać około 170 mAh/g. Co ważne z perspektywy przemysłu, materiały te można wytwarzać w stosunkowo prostym procesie prowadzonym w środowisku wodnym i bez konieczności stosowania bardzo wysokich temperatur.
Dlaczego to może być ważne dla magazynów energii?
W strukturze analogów błękitu pruskiego znajdują się kanały o wielkości około 3,2 angstremów. To wystarczająco dużo, by stosunkowo duże jony sodu mogły sprawnie przemieszczać się podczas ładowania i rozładowywania baterii. W praktyce daje to potencjał do uzyskania wysokiej mocy, szybkiego ładowania oraz długiej żywotności.
Właśnie dlatego baterie oparte na tej chemii mogą być szczególnie atrakcyjne dla dużych magazynów energii, systemów awaryjnego zasilania czy instalacji przemysłowych. W takich zastosowaniach często ważniejsze od maksymalnej gęstości energii są trwałość, bezpieczeństwo i możliwość wykonania ogromnej liczby cykli.
Jest jednak poważny problem
Technologia nie jest jeszcze gotowa do bezproblemowego skalowania. Jednym z największych wyzwań jest woda, która może pozostawać w strukturze materiału po jego syntezie. Towarzyszą jej również defekty sieci krystalicznej. Takie niedoskonałości mogą zajmować miejsca przeznaczone dla jonów sodu i prowadzić do niepożądanych reakcji z elektrolitem.
Problemem jest również niska przewodność elektryczna materiału. Zmniejszanie cząstek może częściowo pomóc, ale jednocześnie pogarsza gęstość upakowania, a więc także ilość energii możliwą do zgromadzenia w określonej objętości baterii. Dochodzi do tego degradacja struktury podczas kolejnych cykli ładowania i rozładowywania.
Naukowcy próbują usunąć te bariery
Badane są już różne sposoby poprawy materiałów PBA. Obejmują one między innymi domieszkowanie dodatkowymi pierwiastkami, pokrywanie powierzchni ochronnymi warstwami, lepszą kontrolę procesu usuwania wody oraz projektowanie bardziej złożonych struktur o wysokiej entropii.
Cel jest jasny: stworzyć materiał, który zachowa wysoką wydajność nie tylko w niewielkiej próbce laboratoryjnej, ale również podczas masowej produkcji. I właśnie tutaj rozstrzygnie się przyszłość tej technologii.
Czy baterie sodowe będą tańsze od litowych?
Teoretycznie powinny. Sód jest tani i powszechny, możliwe jest wykorzystanie niedrogich metali, a w części konstrukcji da się zastąpić miedź aluminium. Na razie sytuacja jest jednak bardziej skomplikowana.
Baterie sodowo-jonowe wciąż są produkowane w znacznie mniejszej skali niż litowo-jonowe. Mają też niższą gęstość energii i nie posiadają równie dojrzałego łańcucha dostaw. Spadki cen litu dodatkowo zmniejszyły w ostatnim czasie przewagę kosztową sodu. Badacze oceniają jednak, że wraz ze wzrostem skali produkcji sytuacja może się wyraźnie zmienić, zwłaszcza w sektorze stacjonarnych magazynów energii.
Dodatkowym atutem jest możliwość wykorzystania dużej części infrastruktury stosowanej dziś do produkcji baterii litowo-jonowych. Nie trzeba więc budować całego przemysłu od zera.
Technologia już wyszła z laboratoriów
Baterie wykorzystujące analogi błękitu pruskiego mają już za sobą pierwsze wdrożenia przemysłowe. W publikacji przywołano rozwiązania rozwijane przez Natron Energy, dla których deklarowano trwałość przekraczającą 50 tys. cykli i przejście testów bezpieczeństwa UL9540A.
W Chinach pojawiły się z kolei cylindryczne baterie sodowo-jonowe wykorzystujące PBA, przeznaczone m.in. do wolniejszych pojazdów elektrycznych oraz systemów start-stop. Duże zainteresowanie technologią wykazywał także CATL. Pierwsza generacja ogniwa sodowo-jonowego firmy z katodą PBA i anodą z twardego węgla miała osiągać gęstość energii do 160 Wh/kg.
To może nie być bateria do samochodu. I właśnie w tym tkwi jej siła
Baterie sodowo-jonowe z katodami opartymi na błękicie pruskim nie muszą bezpośrednio pokonać baterii litowo-jonowych w samochodach elektrycznych. Znacznie ciekawszy może być inny rynek. Autorzy wskazują zastosowania takie jak zasilanie awaryjne centrów danych, systemy UPS, stabilizacja sieci elektroenergetycznej, przemysłowe magazyny energii oraz układy start-stop.
W tych obszarach bardzo wysoka gęstość energii nie zawsze jest najważniejsza. Znacznie większe znaczenie mogą mieć tysiące cykli pracy, wysoka moc, bezpieczeństwo i odporność na temperaturę. Samochody elektryczne nadal pozostają trudniejszym zastosowaniem, ponieważ wymagają jak największej ilości energii przy możliwie niewielkiej masie i objętości baterii.
Baterie sodowe są coraz bliżej dużego rynku
Zdaniem autorów analizy analogi błękitu pruskiego należą do najbardziej obiecujących materiałów katodowych dla baterii sodowo-jonowych. Przemawiają za nimi tanie składniki, prosta metoda produkcji i struktura dobrze dostosowana do transportu jonów sodu. Do rozwiązania pozostają jednak problemy z wodą krystaliczną, defektami struktury, przewodnictwem i stabilnością podczas długiej eksploatacji.
Jeżeli producenci poradzą sobie z tymi ograniczeniami, baterie sodowo-jonowe mogą nie tyle zastąpić lit, ile przejąć te segmenty rynku, w których dziś wykorzystanie ogniw litowych jest kosztowne lub po prostu niepotrzebne. A przy gwałtownie rosnącym zapotrzebowaniu na magazyny energii może to oznaczać bardzo duży rynek.
Dodaj komentarz