Dincolo de litiu: din ce anume se vor fabrica bateriile viitorului

Bateriile cu ioni de litiu s-au instalat definitiv în casele noastre de ani de zile. Ele sunt ascunse în telefonul și laptopul tău, dar ar putea să fie și în periuța ta electrică sau în bicicleta ta. Chiar și bateriile de litiu-ion mai mari sunt vitale pentru vehiculele electrice. Bateriile masive de litiu sunt chiar folosite în rețeaua electrică, ajutând la egalizarea vârfurilor și văilor generării și cererii de electricitate. Aceste baterii joacă și un rol uriaș în tranziția de la combustibilii fosili, un factor cheie al schimbărilor climatice.

Bateriile cu ioni de litiu alimentează viețile noastre, iar cererea pentru ele crește tot mai mult de la an la an. Aceasta ridică întrebarea: Avem suficiente resurse pentru a satisface cererea? Și ar putea orice altceva să înlocuiască vreodată bateriile cu ioni de litiu? Oamenii de știință au prevăzut această problemă de ani de zile.

„Îngrijorarea este dacă avem suficiente resurse pentru a face toate aceste baterii cu ioni de litiu pentru fiecare aplicație. Acesta este un aspect al strategiei guvernului SUA de a gândi pe termen lung despre alte chimii„, a declarat Vincent Battaglia, șeful Grupului de Tehnologii Electrochimice de la Lawrence Berkeley National Laboratory, pentru CNET.

Iată o privire asupra preocupărilor oamenilor de știință cu privire la litiu-ion și la ce ar putea să îl înlocuiască

De ce sunt atât de populare bateriile cu ioni de litiu? Ce face litiul atât de minunat? Există trei răspunsuri: densitatea energetică, durata de viață a ciclului și costul.

Bateriile cu ioni de litiu sunt în prezent cele mai dense baterii energetice pe care le avem pe piață. Densitatea energetică este cantitatea de energie pe care o puteți stoca într-o anumită cantitate de spațiu.

„Puteți avea dispozitive care au multă energie, dar ocupă foarte puțin spațiu și greutate„, a spus Battaglia. „Acestea sunt foarte utile atunci când doriți să transportați lucruri precum telefoane mobile și laptopuri și alte dispozitive personale și până la vehicule electrice.„

Bateriile cu ioni de litiu câștigă popularitate și pentru că sunt reîncărcabile. Dar nu e doar atât. Acestea au o durată de viață relativ lungă a ciclului, care este una dintre modalitățile în care producătorii măsoară cât timp va dura bateria. Gândiți-vă la ea ca la o modalitate de a măsura cât de reîncărcabilă este bateria dvs.

Așa cum este și cu orice altceva, prețul este, de asemenea, important. Aceste baterii au devenit relativ ieftine de fabricat și de produs. Acest lucru se datorează în parte costului redus al materiilor prime necesare pentru a fabrica bateria. Și pe măsură ce aceste baterii continuă să crească în producție de masă, costul fabricării devine tot mai ieftin.

Battaglia a spus că volumele mari la care aceste baterii sunt produse au redus costurile destul de mult. Dar nu întotdeauna a fost așa de ieftin.

„Prețul inițial al bateriilor cu ioni de litiu, când au intrat pe piață, nu a fost atât de ieftin comparativ cu ceilalți concurenți„, a declarat Eungie Lee, un specialist în materiale la Argonne National Laboratory, pentru CNET. „Dar prețul a scăzut semnificativ în ultimul deceniu.„

Oamenii de știință din domeniul cercetării materialelor și inginerii au îmbunătățit procesul de fabricație al bateriilor cu ioni de litiu în ani de zile. Oamenii de știință au găsit materiale chimic compatibile și mai ieftine, în timp ce inginerii continuă să împacheteze mai multe dintre acele materiale în același spațiu, potrivit lui Lee.

Problemele cu bateriile de litiu

În ciuda eficienței relative și a accesibilității litiului, ca și chimie a bateriei, există unele probleme cu adoptarea generalizată a acestor baterii.

Preocupări legate de siguranța bateriilor de litiu

Cel mai relevant aspect legat de siguranța bateriilor cu ioni de litiu este riscul de a lua foc. Bateriile cu ioni de litiu se bazează pe o soluție de electrolit lichid pentru a încărca și descărca bateria corect. Face acest lucru mutând ioni de litiu între partea pozitivă (catod) și partea negativă (anod) a bateriei, acționând ca un fel de intermediar. Problema este că acest electrolit este inflamabil.

Bateriile cu ioni de litiu nu se înțeleg bine cu căldura. Dacă o celulă a bateriei începe să se supraîncălzească, va crește presiunea în interiorul celulei și va deschide portul de eliberare a presiunii, a spus Battaglia. Aceste porturi de eliberare sunt pentru a ajuta la eliberarea presiunii și la protejarea bateriei de explozie. Cu toate acestea, ceea ce se eliberează este un gaz vaporizat inflamabil care ar putea lua foc potențial. Acesta se răspândește către celelalte celule ale bateriei și formează o reacție în lanț.

„Îi spunem derulare termică„, a spus Lee.

Probabilitatea reală ca o baterie cu ioni de litiu să ia foc este extrem de mică. Dar se întâmplă. Incendiile cauzate de bateriile cu ioni de litiu au crescut, în special în New York, cu bicicletele electrice și scuterele reprezentând cel mai mare risc. Aceste incendii sunt periculoase și se pot răspândi rapid. Este și motivul pentru care există reguli specifice privind transportul bateriilor în avioane.

Litiul are, totuși, un cost

Bateriile cu ioni de litiu sunt minunate și toate, dar procesul de minerit al litiului implică unele aspecte negative pentru mediu și zonele în care este extras. Acest lucru se datorează în principal resurselor de apă și energie necesare în timpul procesului.

Marea parte din rezerva mondială de litiu este extrasă în Chile și Australia. În timpul procesului de minerit, litiul este extras din apele sărate subterane sau de la suprafață. Lichidul este pompat din pământ și împărțit în bazine mari și lăsat să stea pentru ca apa să poată să evapore, lăsând în urmă litiu și alte materiale.

Într-un fel, mineritul litiului poluează aerul și apa noastră. Procesul de minerit consumă resurse prețioase de pământ și apă. Și, în timp ce litiul a devenit o parte importantă a tranziției către sursele regenerabile de energie, cea mai mare parte a echipamentului necesar pentru a opera minele de litiu sunt alimentate cu combustibili fosili.

Alte metale în bateriile de litiu

În timp ce litiul este evident elementul principal al unei baterii cu ioni de litiu, există și alte materiale și metale în aceste baterii. Nichelul și cobaltul în special au fost folosite în multe baterii cu ioni de litiu, în special cele din vehiculele electrice. Nichelul este folosit pentru a crește densitatea energetică a bateriei, iar cobaltul este folosit pentru a o stabiliza, a spus Lee.

Cu toate acestea, creșterea conținutului de nichel în baterie poate ridica doar densitatea energetică a bateriei atât de mult. Nichelul și cobaltul pot deveni destul de scumpe. Dar nu este vorba doar de bani: există și un cost uman. Cea mai mare parte a cobaltului din lume este extrasă în Republica Democrată Congo de oameni care lucrează în condiții inumane și respiră praf toxic de la cobalt.

Manganul, o alternativă la cobalt

Acum, oamenii de știință de la Argonne National Laboratory lucrează la modul de utilizare a manganului ca alternativă sustenabilă la cobaltul scump. Cercetătorii de la Argonne spun că manganul este mult mai accesibil decât cobaltul. Este, de asemenea, o resursă abundentă și este o alternativă mai sigură decât o baterie încărcată cu concentrații ridicate de nichel.

„Lucrăm la modul de creștere a conținutului de mangan, de a scăpa de cobalt și de a reduce conținutul de nichel„, a spus Lee.

O alternativă promițătoare este și sodiul

Bateriile cu ioni de litiu nu vor dispărea prea curând, cel puțin în următorul deceniu sau mai mult. Oamenii de știință au fost conștienți de mulți ani de riscurile legate de siguranță și de sustenabilitate asociate bateriilor cu ioni de litiu. Dar dezvoltarea de noi chimii nu este ușoară, iar litiul este greu de înlocuit. Vestea bună este că oamenii de știință americani au început să exploreze o alternativă nouă și promițătoare în bateriile cu ioni de sodiu. Dar acest lucru vine cu propriul set de provocări.

„Cel mai mare avantaj este sodiul însuși. Comparat cu litiul, este mult mai abundent și mai ieftin„, a spus Lee. „Este pretutindeni.„

Ipoteza sodiu-ion deschide, de asemenea, noi oportunități pentru oamenii de știință să experimenteze cu noi elemente și materiale care nu s-au potrivit cu litiul. Acest lucru permite creșterea conținutului de mangan și de fier în catodul bateriei. Ambele sunt mai ieftine și mai durabile decât nichelul și cobaltul.

Soluția de electrolit lichid folosită în bateriile cu ioni de litiu a generat riscuri de incendiu în multe case. Și deși versiunea actuală a tehnologiei bateriilor cu ioni de sodiu încă are aceleași probleme de siguranță, Lee spune că chimia sodiului permite dezvoltarea potențială a noilor lichide electrolitice neinflamabile, potențial chiar și noi electrolite solide.

Bateriile cu ioni de sodiu nu sunt perfecte. Cel mai mare dezavantaj al acestor baterii este densitatea lor energetică și greutatea mai reduse. Sodiul este mai mare, mai greu și nu poate concura cu densitatea energetică a litiu-ionului încă. Dacă am folosi baterii cu ioni de sodiu în vehiculele electrice, densitatea energetică mai mică și greutatea suplimentară a acestor baterii ar însemna o autonomie mai mică. Durata de viață a ciclului bateriilor cu ioni de sodiu este, de asemenea, mai mică decât cea a bateriilor cu ioni de litiu, iar degradarea capacității în bateriile cu ioni de sodiu apare mai rapid. Cu alte cuvinte, durata de viață a bateriilor cu ioni de sodiu este semnificativ mai scurtă decât a litiu-ionului.

„De aceea, acum 10 ani, când bateriile cu ioni de litiu începeau să fie folosite în masă, bateriile cu ioni de sodiu nu au primit multă atenție reală din partea industriei„, a spus Lee. „Dar acum văd că există un interes enorm pentru bateriile cu ioni de sodiu.„

În starea lor actuală, bateriile cu ioni de sodiu au aplicații limitate și mai au de parcurs un drum lung până când vor ajunge vreodată pe o piață de masă. Cu toate acestea, oamenii de știință vor continua să exploreze chiar și mai multe posibilități noi pe care sodiul le poate aduce.

Ce învățături desprindem din acest mic rezumat al ideilor care înaripează viitorul bateriilor? E simplu! Dincolo de partea foarte serioasă, înțelegem că Ion și prietenii săi, Litiu, Cobalt și Nichel vor cam freca mangalul în curând. Sau manganul?