Jest sposób na lepsze baterie. Produkowane bez cierpienia ludzi i niszczenia środowiska naturalnego
Ogniwa litowo-siarkowe mogą dostarczyć kilka razy więcej energii w tej samej objętości co ogniwa litowo-jonowe. Miały one jednak jeden zasadniczy problem – krótką żywotność. Wygląda na to, że problem ten został rozwiązany. Może to przynieść ulgę milionom ludzi i zwierząt.
Kto nie chciałby ładować swojego smartfona tylko raz w tygodniu?
Powszechnie stosowane ogniwa litowo-jonowe w większości dzisiejszych urządzeń mają pojemność od 150 do 260 watogodzin na kilogram (Wh/kg). Istnieją również ogniwa litowo-siarkowe – mają one znacznie większą pojemność, około 550 watogodzin na kilogram.
Przy tej samej wadze, bateria litowo-siarkowa działa dwa do trzech razy dłużej niż bateria litowo-jonowa. Są one również o połowę tańsze, ponieważ wykorzystują znacznie tańszą siarkę zamiast stosunkowo drogiego kobaltu stosowanego w bateriach litowo-jonowych.
Lit i siarka są na tyle lekkimi pierwiastkami, że takie ogniwa są również bardzo lekkie – dwa i pół razy lżejsze niż najlżejsze ogniwa litowo-jonowe.
Waga tych ostatnich może nie być problemem w przypadku smartfona (choć każdy wolałby lżejsze niż cięższe), ale lekkie baterie byłyby bardzo przydatne w samochodach elektrycznych, które są dziś znacznie cięższe niż samochody z silnikami spalinowymi. Przeciętna bateria w samochodzie elektrycznym waży od 450 kilogramów w górę (czasami osiągając prawie tonę), znacznie zwiększając masę pojazdu.
Problem z łańcuchami (siarki)
Skoro ogniwa litowo-siarkowe mają tak wiele zalet, dlaczego nie są jeszcze wszędzie? Niestety, mają one fundamentalną wadę – znacznie krótszą żywotność.
Obecnie powszechnie stosowane ogniwa litowo-jonowe wytrzymują około 2000 cykli ładowania. Ogniwa litowo-siarkowe mają znacznie krótszą żywotność – około 1000 cykli ładowania.
Źródłem tego problemu są łańcuchy polisiarczków litu tworzące się podczas każdego ładowania, które po prostu zatykają takie baterie. Próbowano wielu metod, aby zwiększyć żywotność takich ogniw, ale każda z nich miała swoje wady.
Inżynierowie z australijskiego Monash University twierdzą, że znaleźli rozwiązanie. Opracowali oni konstrukcję anody (w ogniwach i bateriach jest to elektroda ujemna), która znacznie wydłuża żywotność baterii litowo-siarkowych.
Anoda w ich ogniwie to cienka warstwa litu pokryta specjalną folią z porami wielkości milionowych części metra. Jak wyjaśniają wynalazcy, jony litu mogą swobodnie przez nie przenikać, ale większe jony siarki już nie.
Czy nadszedł czas na ogniwa litowo-siarkowe?
Czy oznacza to długo oczekiwany przełom i baterie litowo-siarkowe podbiją rynek? Warto zachować ostrożność. To nie pierwszy raz, kiedy naukowcy w laboratoriach ogłaszają, że udało im się przedłużyć żywotność takich ogniw.
Ogniwa litowo-siarkowenie są nowym wynalazkiem(amerykański patent)
Schemat zasady działania baterii litowo-siarkowej
S8+16e-+16Li+→8Li2S
Poniżej przedstawiono równanie reakcji serii jonów polisiarczkowych:
S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2→Li2S
Jednak pierwsze ogniwa litowo-siarkowe o żywotności tysiąca cykli ładowania zostały skonstruowane dopiero na początku XXI wieku. W 2017 r. udało się osiągnąć żywotność 1500 cykli – wciąż mniej niż litowo-jonowe, ale blisko. W 2022 r. naukowcy z Drexel University stwierdzili, że dzięki zastosowaniu jednej z form siarki (jej alotropów) możliwe jest osiągnięcie nawet 4000 cykli ładowania.
To dwa razy więcej niż w przypadku ogniw litowo-jonowych. Kto by nie chciał tańszych, lżejszych, bardziej pojemnych i trwalszych baterii… A jednak takich baterii wciąż nie ma na rynku. Dlaczego?
Jednym z powodów jest trudność w opracowaniu technologii pozwalającej na produkcję takich ogniw na masową skalę. Tylko dlatego, że coś odniosło sukces w laboratorium, nie oznacza, że jest łatwe do wyprodukowania w fabryce. Skalowanie technologii od kilku prototypów do setek tysięcy jednostek również zajmuje sporo czasu. Oni również długo czekali. I otrzymali nagrodę Nobla
Nie ma nic szczególnie dziwnego w tym czekaniu na postęp. Baterie litowo-jonowe, które są dziś tak powszechne, również leżały w laboratoriach chemików i inżynierów przez długi czas, ale miały nieco więcej szczęścia.
Ich początki również sięgają lat 60. ubiegłego wieku. Minęło ćwierć wieku, a w połowie lat 80. odkryto, że ich wydajność znacznie poprawia koks naftowy (później zastąpiony grafitem). Kolejna dekada minęła, gdy odkryto, że ich trwałość poprawia węglan etylenu (elektrolit, który jest stały w temperaturze pokojowej).
Dopiero wtedy, pod koniec ubiegłego wieku, rozpoczęła się rewolucja, która umożliwiła zasilanie smartfonów i samochodów elektrycznych. Za to twórcy tych baterii, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham i Akira Yoshino otrzymali w 2019 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.
Jeśli możliwe będzie rozpoczęcie produkcji ogniw litowo-siarkowych na skalę przemysłową, rewolucja ta przyspieszy. Naładowana bateria w smartfonie wytrzyma trzy dni (kto wie, może nawet cztery). Akumulatory pojazdów elektrycznych mogą być o połowę lżejsze, a mimo to osiągać dwukrotnie większy zasięg. Możliwe będzie magazynowanie większej ilości energii słonecznej i wiatrowej – czego świat bardzo potrzebuje.
Środowisko i ludzie wydobywający kobalt również odetchną z ulgą. W bateriach litowo-jonowych kobalt jest niezbędny. Jego większość wydobywana jest w dorzeczu Konga w Afryce.
Więcej artykułów na ten temat:
Rewolucja, niestety nie bezkrwawa
W tropikalnych lasach dorzecza Konga, afrykańskiej Amazonii, żyje ponad tysiąc gatunków ptaków, 700 gatunków ryb i 400 ssaków. Jest to wyjątkowe siedlisko słoni, hipopotamów, goryli górskich i największej populacji szympansów.
Niestety dla nich, ziemie te są bardzo bogate w rzadkie i cenne metale – w tym kobalt, niezbędny do produkcji naszych baterii. Lasy są wycinane pod kopalnie, a zwierzęta tracą swoje naturalne siedliska.
Rozwój wydobycia metali w dorzeczu Konga doprowadził również do krwawych wojen w Rwandzie, Ugandzie, Angoli i najdłuższej we wschodniej części Demokratycznej Republiki Konga, która trwa od lat 90. i nazywana jest„afrykańską wojną światową„.
Produkcja kobaltu w Kongo
Walki między armiami i partyzantami o dostęp do złóż cennych i rzadkich rud metali pochłonęły (bezpośrednio lub z powodu głodu) ponad 5 milionów ofiar śmiertelnych. Kolejne dwa miliony zostały zmuszone do opuszczenia swoich domów. Dziesiątki tysięcy uchodźców, w tym dzieci, pracuje w kopalniach. Niektórzy z braku środków do życia, inni na muszce.
To zbyt często cicho płacona cena za całą nowoczesną elektronikę, zwłaszcza tę zasilaną bateriami.
Ogniwa litowo-siarkowe mogłyby powstrzymać tę przemoc i zniszczenie, ponieważ kobalt jest w nich zbędny. Świat bardzo by ich potrzebował.
Źródła:
- https://ourworldindata.org/
- https://oko.press/lepsze-baterie-litowo-siarkowe
- https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/
- https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/lithium-sulfur-batteries
