Натрий вместо литий? Стъпка напред в търсенето на истински устойчива батерия
Глобалното търсене на акумулатори нараства, защото светът се стреми към бързо електрифициране на транспортните средства и запазване на възобновима сила. Литиево-йонните акумулатори, които нормално се употребяват в електрическите автомобили, са сложни за преработване и изискват големи количества сила и вода за добиване на главния детайл за изработката им. Компаниите трескаво търсят по-устойчиви други възможности, които могат да оказват помощ за прехода на света към зелена сила.
В австралийската котловина Яра нова технология за акумулатори оказва помощ за зареждането на жилищните здания и комерсиалните предприятия в страната – без потребление на литий. Тези акумулатори разчитат на натрий – детайл, който се съдържа в готварската сол – и биха могли да се окажат значима стъпка напред в търсенето на в действителност устойчива батерия.
„ Натрият е доста по-устойчив източник за акумулатори [от лития] “, споделя пред BBC Джеймс Куин, основен изпълнителен шеф на Faradion, основаната в Обединеното кралство компания за батерийни технологии, която създава натриево-йонни акумулатори за компанията за комунални услуги Nation Energie в долината Яра. „ Той е необятно публикуван в целия свят, което значи, че е по-евтин за рандеман, а извличането му не изисква толкоз доста вода “, изяснява още той.
За извличането на един звук литий е нужна 682 пъти повече вода спрямо един звук натрий. Това е доста количество. “
Натриево-йонните акумулатори на Faradion към този момент се употребяват от енергийни компании по целия свят за предпазване на електрическа енергия от възобновими източници. И те са единствено една опция на тежката и възходяща взаимозависимост от лития, който през 2020 година беше включен от Европейския съюз в листата на „ сериозните първични материали “. Предвижда се пазарът на литиеви акумулатори да нарасне от 57 милиарда $ през 2023 година до 187 милиарда $ до 2032 година
За да се намерят обещаващи други възможности, е потребно да се прегледа какво е направило литиевата батерия толкоз известна. Някои от факторите, които вършат една батерия добра, са дълготрайност на живота, мощ, енергийна компактност, сигурност и досегаемост.
Недостатъците също са многочислени: в края на виталния им цикъл преработването на тези акумулатори към момента е комплициран развой. Извличането на обособените метали в батерията за преработване включва обособяване на метала, след което те се разделят в течност, с цел да се извлече мечтаният метал.
Рециклирането на литиево-йонна батерия употребява повече сила и запаси, в сравнение с производството на нова батерия, което изяснява за какво единствено дребна част от литиево-йонните акумулатори се рециклират “, показва Акса Назир, постдокторант в лабораторията за проучване на акумулатори към Международния университет във Флорида.
Извличането на литий благодарение на изпарителни басейни, както се прави в страни като Чили, е обвързвано с огромен воден отпечатък. Проучванията демонстрират, че по време на процеса на изпаряване в околната среда могат да се отделят замърсители, които евентуално да обиден намиращите се наоколо общности. Недостигът на вода, породен от добива, може също по този начин да заплаши поминъка на локалните. Припокриването на минните обекти с регионите на живот на коренното население също е довело до насилствена миграция и занемаряване на селища на предците.
Алтернатива на метода на изпаряване е добивът на твърди скали, какъвто се прави в Австралия. Това обаче има своите дефекти. За всеки звук литий, придобит по време на добива на твърди скали, в атмосферата се отделят към 15 тона CO2.
И по този начин, има ли жизнеспособни други възможности на литиево-йонната батерия?
Натриево-йонни акумулатори
В натриево-йонните акумулатори натрият непосредствено замества лития. За разлика от литиево-йонните акумулатори, натриевите съдържат четири съществени съставния елемент – анод, катод, електролит и сепаратор. Състоянието на електролита варира според от производителя.
Съотношението сред натрий и литий в земната кора е 23 600 частици на милион (ppm) към 20 ppm. Естественото обилие на натрий води до доста по-ниски разноски за добиване. Друг фактор в интерес на натриевата батерия е, че може да се употребяват други по-евтини материали, като медните фолиа се заменят с алуминиеви да вземем за пример.
Мария Форсайт, началник на катедрата по електроматериали и науки за корозията в университета Deakin, Австралия, споделя, че прекосяването от произвеждане на литиеви към натриеви акумулатори би било относително на ниска цена.
От индустриална позиция преходът е елементарен, тъй като същите заводи, които сега създават литиево-йонни акумулатори, могат да създават натриеви акумулатори “, споделя Форсайт. „ Това значи, че производството може да се разшири бързо. “
Едно от преимуществата на натриевите акумулатори е тяхната сигурност при превозване. „ Уникална характерност на натриево-йонната технология е опцията за разреждане на натрия до нула волта за предпазване и превозване “, споделя Куин, основен изпълнителен шеф на Faradion.
Това значи, че тя може да се съхранява и транспортира при по-безопасни условия. “
По-ниските равнища на риск от възпламеняване я вършат по-безопасен вид спрямо литиевите акумулатори, споделя Куин.
Един от минусите обаче е ниската енергийна компактност. За производителите на електрически автомобили батериите с ниска енергийна компактност са проблем, защото това се отразява на пробега на транспортното средство. Докато литиевите акумулатори имат енергийна компактност сред 150-220 Wh/kg (ват-час на килограм), натриевите имат по-ниска енергийна компактност в диапазона 140-160 Wh/kg. Менг споделя, че това значи, че е по-малко евентуално натриевите акумулатори да се употребяват в комерсиалната мрежа за електрически автомобили, които изискват дълъг пробег сред зарежданията.
Друга спънка е, че натриевите акумулатори могат да се оправят единствено с къс брой цикли на зареждане през целия си живот. Понастоящем те имат цикъл на зареждане от към 5000 пъти, до момента в който литиево-желязофосфатните акумулатори (вид литиево-йонна батерия) могат да бъдат зареждани сред 8000 и 10 000 пъти. Но откривателите работят за решаването на този проблем – през 2023 година учени и инженери в Китай реализираха 6000 цикъла, употребявайки друг тип електрод.
През 2019 година китайската компания за батерийни технологии HiNa пусна в употреба електроцентрала за предпазване на сила с потенциал 100 kWh, демонстрирайки опцията за потребление на натриеви акумулатори за предпазване на сила в огромен мащаб. HiNa също по този начин наскоро пилотно пусна партида електрически автомобили, захранвани с натриеви акумулатори.
Твърдотелни акумулатори
Твърдотелните акумулатори употребяват твърди електролити вместо течните или водните електролити, които са нормални за обичайните акумулатори. Двата най-популярни типа твърди електролити включват неорганични твърди електролити (оксиди и сулфиди) и твърди полимери (полимерни соли или гел-полимери).
Използването на твърди електролити понижава риска от формиране на дендрити - тези дървовидни структури в батерията, които могат да причинят повредата ѝ. Батериите с твърди електролити също по този начин имат по-малък риск от запалимост, по-висока енергийна компактност и по-бърз цикъл на зареждане.
Въпреки това твърдотелните акумулатори може да се окажат по-трудни за бързо мащабиране спрямо натриевите, споделя Шърли Менг, професор по молекулярно инженерство в Pritzker School of Molecular Engineering към Чикагския университет.
Натриевите акумулатори са с по-ниска цена и са по-лесни за консолидиране в актуалните фабрики за произвеждане на литиеви акумулатори. “
Въз основа на изчислителен модел за 2020 година индустриалните разноски на твърдотелните акумулатори и сега са по-високи от тези на литиево-йонните акумулатори.
За да се развие технологията на твърдотелните акумулатори, от значително значение е да се намерят трайни твърдотелни електролити, което към момента не е направено. Макар че този тип акумулатори намират малко приложение – да вземем за пример в носима електроника и IoT устройства – все още те не са вид за предпазване на сила в огромни мащаби.
„ Трябва да бъдем реалисти “, споделя Менг. „ В момента може би полупроводниковите акумулатори са жизнеспособни за интернет на нещата и носимите устройства. Но с цел да могат технологиите в твърдо положение да допринесат за енергийния преход, те ще би трябвало да бъдат мащабирани, с цел да създават тераватчаса (TWh) сила. “
Литиево-сернисти акумулатори
Литиево-сернистите акумулатори са сходни по състав с литиево-йонните и – както подсказва името – към момента употребяват известно количество литий. Литият се съдържа в анода на батерията, а сярата се употребява в катода. За съпоставяне, в литиево-йонните акумулатори се употребяват редкоземни минерали като никел, манган и кобалт (NMC) в катода.
Сярата е по-разпространена в земната кора от никела, мангана и кобалта и процесът на нейното добиване е по-малко ресурсоемък. Тя е и по-широко налична, защото е непряк артикул от преработката на природен газ и рафинирането на петрол. Въпреки че доставките на сяра могат да намалеят през идващите няколко десетилетия заради световната декарбонизация, единствено Съединени американски щати създават 8.6 милиона тона сяра годишно.
Така че, макар че тези акумулатори съдържат литий, изобилието от сяра ги прави евентуално по-устойчив вид спрямо стандартните литиево-йонни акумулатори, споделя Акса.
Сходството с литиево-йонните акумулатори прави литиево-сернистите други възможности относително лесни за произвеждане. „ Те могат да се създават в същите индустриални съоръжения, което икономисва разноски за нови механически запаси “, споделя Назир.
Литиево-серовите акумулатори имат и спомагателни функционални преимущества, защото имат по-висока енергийна компактност, което значи, че създават повече сила, прибавя Назир. „ Сярата има способността да придвижва повече електрони. Литиево-сернистите акумулатори имат девет пъти по-голяма енергийна компактност от литиево-йонните акумулатори. “
Въпреки това тези акумулатори имат проблем със зареждане. Образуването на дървовидни структури, наречени дендрити, може да докара до късо съединяване и щета на батерията. Тъй като прототипите работят единствено за 50 цикъла на зареждане, те към момента не са подобаващи за потребление да вземем за пример в електрически автомобили.
Литиево-сернистите акумулатори към този момент са на пазара и се употребяват за джаджи, изискващи акумулатори с по-ниско тегло и по-дълго време за еднократно зареждане. През 2020 година корейската химическа компания LG Chem сполучливо пилотира дрон, задвижван от литиево-серниста батерия, и удостовери, че батерията има постоянни цикли на зареждане и разреждане. LG Chem има намерение до 2025 година да стартира всеобщо произвеждане на литиево-серни акумулатори с двойно по-голяма активност от литиево-йонните акумулатори. Междувременно немският стартъп за акумулатори Theion също работи за внедряване на литиево-серни акумулатори в електрическите автомобили.
Ако едно нещо е ясно, то е, че нито един вид батерия няма да бъде повсеместен отговор за замяната на литиево-йонните акумулатори. Но както показва Форсайт, това не е неприятно.
Не е належащо да заменяме лития във всички акумулатори, нужна е диверсификация на технологията на батериите “, споделя Форсайт. „ Може би не става въпрос за един сурогат, а за други възможности, които могат да се употребяват там, където е вярно да се употребяват. “
В австралийската котловина Яра нова технология за акумулатори оказва помощ за зареждането на жилищните здания и комерсиалните предприятия в страната – без потребление на литий. Тези акумулатори разчитат на натрий – детайл, който се съдържа в готварската сол – и биха могли да се окажат значима стъпка напред в търсенето на в действителност устойчива батерия.
„ Натрият е доста по-устойчив източник за акумулатори [от лития] “, споделя пред BBC Джеймс Куин, основен изпълнителен шеф на Faradion, основаната в Обединеното кралство компания за батерийни технологии, която създава натриево-йонни акумулатори за компанията за комунални услуги Nation Energie в долината Яра. „ Той е необятно публикуван в целия свят, което значи, че е по-евтин за рандеман, а извличането му не изисква толкоз доста вода “, изяснява още той.
За извличането на един звук литий е нужна 682 пъти повече вода спрямо един звук натрий. Това е доста количество. “
Натриево-йонните акумулатори на Faradion към този момент се употребяват от енергийни компании по целия свят за предпазване на електрическа енергия от възобновими източници. И те са единствено една опция на тежката и възходяща взаимозависимост от лития, който през 2020 година беше включен от Европейския съюз в листата на „ сериозните първични материали “. Предвижда се пазарът на литиеви акумулатори да нарасне от 57 милиарда $ през 2023 година до 187 милиарда $ до 2032 година
За да се намерят обещаващи други възможности, е потребно да се прегледа какво е направило литиевата батерия толкоз известна. Някои от факторите, които вършат една батерия добра, са дълготрайност на живота, мощ, енергийна компактност, сигурност и досегаемост.
Недостатъците също са многочислени: в края на виталния им цикъл преработването на тези акумулатори към момента е комплициран развой. Извличането на обособените метали в батерията за преработване включва обособяване на метала, след което те се разделят в течност, с цел да се извлече мечтаният метал.
Рециклирането на литиево-йонна батерия употребява повече сила и запаси, в сравнение с производството на нова батерия, което изяснява за какво единствено дребна част от литиево-йонните акумулатори се рециклират “, показва Акса Назир, постдокторант в лабораторията за проучване на акумулатори към Международния университет във Флорида.
Извличането на литий благодарение на изпарителни басейни, както се прави в страни като Чили, е обвързвано с огромен воден отпечатък. Проучванията демонстрират, че по време на процеса на изпаряване в околната среда могат да се отделят замърсители, които евентуално да обиден намиращите се наоколо общности. Недостигът на вода, породен от добива, може също по този начин да заплаши поминъка на локалните. Припокриването на минните обекти с регионите на живот на коренното население също е довело до насилствена миграция и занемаряване на селища на предците.
Алтернатива на метода на изпаряване е добивът на твърди скали, какъвто се прави в Австралия. Това обаче има своите дефекти. За всеки звук литий, придобит по време на добива на твърди скали, в атмосферата се отделят към 15 тона CO2.
И по този начин, има ли жизнеспособни други възможности на литиево-йонната батерия?
Натриево-йонни акумулатори
В натриево-йонните акумулатори натрият непосредствено замества лития. За разлика от литиево-йонните акумулатори, натриевите съдържат четири съществени съставния елемент – анод, катод, електролит и сепаратор. Състоянието на електролита варира според от производителя.
Съотношението сред натрий и литий в земната кора е 23 600 частици на милион (ppm) към 20 ppm. Естественото обилие на натрий води до доста по-ниски разноски за добиване. Друг фактор в интерес на натриевата батерия е, че може да се употребяват други по-евтини материали, като медните фолиа се заменят с алуминиеви да вземем за пример.
Мария Форсайт, началник на катедрата по електроматериали и науки за корозията в университета Deakin, Австралия, споделя, че прекосяването от произвеждане на литиеви към натриеви акумулатори би било относително на ниска цена.
От индустриална позиция преходът е елементарен, тъй като същите заводи, които сега създават литиево-йонни акумулатори, могат да създават натриеви акумулатори “, споделя Форсайт. „ Това значи, че производството може да се разшири бързо. “
Едно от преимуществата на натриевите акумулатори е тяхната сигурност при превозване. „ Уникална характерност на натриево-йонната технология е опцията за разреждане на натрия до нула волта за предпазване и превозване “, споделя Куин, основен изпълнителен шеф на Faradion.
Това значи, че тя може да се съхранява и транспортира при по-безопасни условия. “
По-ниските равнища на риск от възпламеняване я вършат по-безопасен вид спрямо литиевите акумулатори, споделя Куин.
Един от минусите обаче е ниската енергийна компактност. За производителите на електрически автомобили батериите с ниска енергийна компактност са проблем, защото това се отразява на пробега на транспортното средство. Докато литиевите акумулатори имат енергийна компактност сред 150-220 Wh/kg (ват-час на килограм), натриевите имат по-ниска енергийна компактност в диапазона 140-160 Wh/kg. Менг споделя, че това значи, че е по-малко евентуално натриевите акумулатори да се употребяват в комерсиалната мрежа за електрически автомобили, които изискват дълъг пробег сред зарежданията.
Друга спънка е, че натриевите акумулатори могат да се оправят единствено с къс брой цикли на зареждане през целия си живот. Понастоящем те имат цикъл на зареждане от към 5000 пъти, до момента в който литиево-желязофосфатните акумулатори (вид литиево-йонна батерия) могат да бъдат зареждани сред 8000 и 10 000 пъти. Но откривателите работят за решаването на този проблем – през 2023 година учени и инженери в Китай реализираха 6000 цикъла, употребявайки друг тип електрод.
През 2019 година китайската компания за батерийни технологии HiNa пусна в употреба електроцентрала за предпазване на сила с потенциал 100 kWh, демонстрирайки опцията за потребление на натриеви акумулатори за предпазване на сила в огромен мащаб. HiNa също по този начин наскоро пилотно пусна партида електрически автомобили, захранвани с натриеви акумулатори.
Твърдотелни акумулатори
Твърдотелните акумулатори употребяват твърди електролити вместо течните или водните електролити, които са нормални за обичайните акумулатори. Двата най-популярни типа твърди електролити включват неорганични твърди електролити (оксиди и сулфиди) и твърди полимери (полимерни соли или гел-полимери).
Използването на твърди електролити понижава риска от формиране на дендрити - тези дървовидни структури в батерията, които могат да причинят повредата ѝ. Батериите с твърди електролити също по този начин имат по-малък риск от запалимост, по-висока енергийна компактност и по-бърз цикъл на зареждане.
Въпреки това твърдотелните акумулатори може да се окажат по-трудни за бързо мащабиране спрямо натриевите, споделя Шърли Менг, професор по молекулярно инженерство в Pritzker School of Molecular Engineering към Чикагския университет.
Натриевите акумулатори са с по-ниска цена и са по-лесни за консолидиране в актуалните фабрики за произвеждане на литиеви акумулатори. “
Въз основа на изчислителен модел за 2020 година индустриалните разноски на твърдотелните акумулатори и сега са по-високи от тези на литиево-йонните акумулатори.
За да се развие технологията на твърдотелните акумулатори, от значително значение е да се намерят трайни твърдотелни електролити, което към момента не е направено. Макар че този тип акумулатори намират малко приложение – да вземем за пример в носима електроника и IoT устройства – все още те не са вид за предпазване на сила в огромни мащаби.
„ Трябва да бъдем реалисти “, споделя Менг. „ В момента може би полупроводниковите акумулатори са жизнеспособни за интернет на нещата и носимите устройства. Но с цел да могат технологиите в твърдо положение да допринесат за енергийния преход, те ще би трябвало да бъдат мащабирани, с цел да създават тераватчаса (TWh) сила. “
Литиево-сернисти акумулатори
Литиево-сернистите акумулатори са сходни по състав с литиево-йонните и – както подсказва името – към момента употребяват известно количество литий. Литият се съдържа в анода на батерията, а сярата се употребява в катода. За съпоставяне, в литиево-йонните акумулатори се употребяват редкоземни минерали като никел, манган и кобалт (NMC) в катода.
Сярата е по-разпространена в земната кора от никела, мангана и кобалта и процесът на нейното добиване е по-малко ресурсоемък. Тя е и по-широко налична, защото е непряк артикул от преработката на природен газ и рафинирането на петрол. Въпреки че доставките на сяра могат да намалеят през идващите няколко десетилетия заради световната декарбонизация, единствено Съединени американски щати създават 8.6 милиона тона сяра годишно.
Така че, макар че тези акумулатори съдържат литий, изобилието от сяра ги прави евентуално по-устойчив вид спрямо стандартните литиево-йонни акумулатори, споделя Акса.
Сходството с литиево-йонните акумулатори прави литиево-сернистите други възможности относително лесни за произвеждане. „ Те могат да се създават в същите индустриални съоръжения, което икономисва разноски за нови механически запаси “, споделя Назир.
Литиево-серовите акумулатори имат и спомагателни функционални преимущества, защото имат по-висока енергийна компактност, което значи, че създават повече сила, прибавя Назир. „ Сярата има способността да придвижва повече електрони. Литиево-сернистите акумулатори имат девет пъти по-голяма енергийна компактност от литиево-йонните акумулатори. “
Въпреки това тези акумулатори имат проблем със зареждане. Образуването на дървовидни структури, наречени дендрити, може да докара до късо съединяване и щета на батерията. Тъй като прототипите работят единствено за 50 цикъла на зареждане, те към момента не са подобаващи за потребление да вземем за пример в електрически автомобили.
Литиево-сернистите акумулатори към този момент са на пазара и се употребяват за джаджи, изискващи акумулатори с по-ниско тегло и по-дълго време за еднократно зареждане. През 2020 година корейската химическа компания LG Chem сполучливо пилотира дрон, задвижван от литиево-серниста батерия, и удостовери, че батерията има постоянни цикли на зареждане и разреждане. LG Chem има намерение до 2025 година да стартира всеобщо произвеждане на литиево-серни акумулатори с двойно по-голяма активност от литиево-йонните акумулатори. Междувременно немският стартъп за акумулатори Theion също работи за внедряване на литиево-серни акумулатори в електрическите автомобили.
Ако едно нещо е ясно, то е, че нито един вид батерия няма да бъде повсеместен отговор за замяната на литиево-йонните акумулатори. Но както показва Форсайт, това не е неприятно.
Не е належащо да заменяме лития във всички акумулатори, нужна е диверсификация на технологията на батериите “, споделя Форсайт. „ Може би не става въпрос за един сурогат, а за други възможности, които могат да се употребяват там, където е вярно да се употребяват. “
Източник: economic.bg
КОМЕНТАРИ