Kako svijet sve više mijenja snagu fosilnih goriva za elektrifikaciju bez emisija, baterije postaju vitalni alat za pohranu kako bi se olakšao energetski prijelaz.
Potražnja za skladištenjem baterija posljednjih je godina eksponencijalno porasla, ali tehnička revolucija baterija tek počinje. U industriju baterija slijevaju se goleme investicije kako bi se razvila održiva rješenja za pohranu koja podržavaju energetsku tranziciju.
Litij-ionske baterije prvi put su se komercijalno pojavile ranih 1990-ih, a sada su glavni izbor za napajanje svega, od mobilnih telefona do električnih vozila i dronova.
Potražnja za litij-ionskim baterijama za pogon električnih vozila i skladištenje energije bilježi eksponencijalni rast, povećavajući se sa samo 0,5 gigavat-sati u 2010. na oko 526 gigavat-sati desetljeće kasnije. Predviđa se da će se potražnja do 2030. povećati 15 puta, čime će se smanjiti cijena baterijskih tehnologija, navodi Bloomberg.
Koje su glavne vrste baterija koje se danas koriste i po čemu se razlikuju?
Postoje dvije glavne vrste baterija koje su vam vjerojatno poznate. Litij-ionske baterije napajaju naše telefone i električna ili hibridna vozila, a olovne baterije koje se koriste za pokretanje automobila s motorima s unutarnjim izgaranjem i pohranjuju energiju za automobilska svjetla, radio i druge uređaje.
Glavna razlika je gustoća energije. U litij-ionsku bateriju možete unijeti više energije nego u olovnu bateriju, a ona traje mnogo dulje. Zato se litij-ionska baterija koristi u toliko mnogo aplikacija i zamjenjuju olovne baterije za stvari poput transporta i mrežnih aplikacija.
Od čega se proizvode baterije i kako rade?
Baterije se izrađuju od niza različitih materijala. Kao što naziv najčešćeg tipa baterija koji se danas koristi govori, litij-ionske baterije izrađene su od litijevih iona, ali sadrže i druge materijale, poput nikla, mangana i kobalta. One rade pretvaranjem električne energije u kemijsku, što nam omogućuje pohranjivanje električne energije u vrlo gustom obliku.
Zašto su baterije važne za obnovljivu energiju?
Glavni način skladištenja obnovljive energije su baterije. No očito je da je razvoj baterija zaostao za poboljšanjima u vjetru i solarnoj energiji, iako bez baterija ove tehnologije rade s ograničenom učinkovitošću. Baterije omogućuju pružateljima komunalnih usluga da prikupe dodatnu električnu energiju i pohrane je za razdoblja kada je vrijeme lošije.
Jesu li baterije siguran način skladištenja električne energije?
Nove tehnologije i bolji nadzor čine bateriju vrlo sigurnim načinom skladištenja električne energije. U električnom vozilu jedna ćelija baterije može prestati raditi, na primjer, ali ako je dizajnirana sigurno, neće utjecati na cijelo vozilo.
Ključni sigurnosni aspekti s litij-ionskim baterijama su način na koji se sastavljaju i nadziru. Najgori ishod uključuje toplinski bijeg ili eksploziju. To bi predstavljalo veliku zabrinutost za velike baterije poput onih koje se koriste za skladištenje obnovljive energije, ali one rade u vrlo kontroliranom okruženju.
Što se događa s otpadnim baterijama? Mogu li se iskorištene baterije reciklirati kako bi bile dio kružnog gospodarstva?
Recikliranje baterijskih komponenti iznimno je važno, kako sa stajališta materijala tako i sa stajališta okoliša. Iako korozija baterija oslobađa kemikalije koje onečišćuju podzemne i površinske vode, kao i tlo, punjive baterije mogu se više puta koristiti, a na kraju svog životnog vijeka mogu se rastaviti; njene se komponente tada mogu reciklirati za izradu novih baterija.
Industrija baterija pokreće kružno gospodarstvo, ekonomiju kojoj se stremi u svim područjima. Radi se zapravo o optimizaciji procesa recikliranja za svaku vrstu baterija kako bi se zajamčilo da je kružna ekonomija isplativa sa svih stajališta. Ali kružnost ne bi trebala biti ograničena na baterije, može se primijeniti na sve, od čelika do plastike.
Kako baterije mogu pomoći u elektrifikaciji sektora poput transporta i energetike kako bi se smanjile emisije stakleničkih plinova?
Transport danas stvara oko 30% globalnih emisija, stoga je smanjenje toga vrlo važno. U većini zemalja, iako su početni troškovi veći, jeftinije je voziti električno vozilo nego automobil na fosilna goriva, što potiče potrošače da se prebace i pomognu u dekarbonizaciji cestovnog prometa.
Napredak u tehnologiji baterija učinio je baterije ključnom komponentom za održiva putovanja budućnosti. Energija pohranjena u ovim baterijama na kotačima može se koristiti za stvarno napajanje naših domova i pomoć pri stabilizaciji mreže. Baterije su jedna od tih platformskih tehnologija koje se mogu koristiti za poboljšanje stanja u svijetu i borbu protiv klimatskih promjena.
Hoće li rastuća potražnja za baterijama dok prelazimo na obnovljivu energiju vršiti pritisak na resurse poput litija?
Pitanje resursa je važno. Iako litij-ionske baterije sadrže vrlo malu količinu litija, predviđeni rast potražnje za ovim baterijama mogao bi izvršiti pritisak na opskrbne lance za materijale poput litija, nikla, kobalta, mangana i grafita. I bitno je da opskrbni lanci rade na etičan način.
Postoje inicijative kao što je Global Battery Alliance, partnerstvo više od 60 organizacija članica koje je pokrenuo Svjetski ekonomski forum 2017. i koje okuplja sve dionike iz cijelog svijeta kako bi se osiguralo da su lanci opskrbe baterijama etični, zeleni i da se njima pravilno upravlja.
Koja nova dostignuća u tehnologiji baterija možemo očekivati?
Kratkoročno, trebali bismo vidjeti optimizaciju postojećih procesa, mala podešavanja koja zapravo mogu imati veliki utjecaj na troškove baterije i gustoću energije. Gledajući dalje, očekuju se nove tehnologije. Tvrtke za proizvodnju baterija neprestano eksperimentiraju kako bi pronašle kemikalije koje su jeftinije, gušće, lakše i snažnije.
Postoje tri nove tehnologije baterija s transformativnim potencijalom: litij-ionske baterije nove generacije, litij-sumporne baterije i solid-state baterije.
Litij-ionske baterije nove generacije
U litij-ionskim baterijama skladištenje i oslobađanje energije osigurava se kretanjem litijevih iona od pozitivne do negativne elektrode naprijed i natrag preko elektrolita. U ovoj tehnologiji, pozitivna elektroda djeluje kao početni izvor litija, a negativna elektroda kao domaćin za litij. Nekoliko kemija okupljeno je pod nazivom li-ion baterije, kao rezultat desetljeća odabira i optimizacije blizu savršenstva pozitivnih i negativnih aktivnih materijala. Litirani metalni oksidi ili fosfati najčešći su materijali koji se koriste kao prisutni pozitivni materijali. Kao negativni materijali koriste se grafit, ali i grafit/silicij ili litirani titanovi oksidi.
Sa stvarnim materijalima i dizajnom ćelija, očekuje se da će litij-ionska tehnologija dosegnuti energetsku granicu u sljedećim godinama. Ipak, nedavna otkrića novih obitelji disruptivnih aktivnih materijala trebala bi otključati sadašnja ograničenja. Ovi inovativni spojevi mogu pohraniti više litija u pozitivnim i negativnim elektrodama i po prvi će put omogućiti kombiniranje energije i snage. Osim toga, kod ovih novih spojeva također se uzima u obzir nedostatak sirovina.
Koje su prednosti?
Danas, među svim najsuvremenijim tehnologijama pohranjivanja, tehnologija litij-ionskih baterija omogućuje najvišu razinu gustoće energije. Performanse kao što su brzo punjenje ili temperaturni radni prozor (-50°C do 125°C) mogu se fino podesiti velikim izborom dizajna ćelija i kemije. Nadalje, litij-ionske baterije pokazuju dodatne prednosti kao što su vrlo nisko samopražnjenje i vrlo dug životni vijek i ciklične performanse, obično tisuće ciklusa punjenja/pražnjenja.
Kada ih možemo očekivati?
Očekuje se da će nova generacija naprednih litij-ionskih baterija biti postavljena prije prve generacije solid state baterija. Ove baterije će biti idealne za korištenje u sustavima za pohranu energije za obnovljive izvore energije i za transport (pomorski, željeznički, zrakoplovni i terenska mobilnost) gdje su visoka energija, velika snaga i sigurnost obavezni.
Litij-sumporne baterije
U litij-ionskim baterijama, litijevi ioni pohranjeni su u aktivnim materijalima koji djeluju kao stabilne strukture (domaćini) tijekom punjenja i pražnjenja. U litij-sumpornim baterijama nema struktura domaćina. Tijekom pražnjenja, litijeva anoda se troši i sumpor se pretvara u različite kemijske spojeve; tijekom punjenja odvija se obrnuti proces.
Koje su prednosti?
Litij-sumporna baterija koristi vrlo lagane aktivne materijale: sumpor u pozitivnoj elektrodi i metalni litij kao negativnu elektrodu. Zbog toga je njena teoretska gustoća energije iznimno visoka: četiri puta veća od litij-ionske. To ju čini dobrom za zrakoplovnu i svemirsku industriju.
Kada ih možemo očekivati?
Glavne tehnološke prepreke već su prevladane i razina zrelosti napreduje vrlo brzo prema prototipovima punog razmjera.
Za aplikacije koje zahtijevaju dugo trajanje baterije, očekuje se da će ova tehnologija stići na tržište odmah nakon litij-ionskih baterija u čvrstom stanju.
Solid state baterije (baterije u čvrstom stanju)
Solid state baterije predstavljaju promjenu paradigme u smislu tehnologije. U modernim li-ionskim baterijama, ioni se kreću od jedne elektrode do druge preko tekućeg elektrolita (također se naziva ionska vodljivost). U potpuno čvrstim baterijama, tekući elektrolit zamijenjen je čvrstim spojem koji unatoč tome dopušta migriranje litijevih iona unutar njega. Ovaj koncept je daleko od novog, ali tijekom proteklih 10 godina – zahvaljujući intenzivnim svjetskim istraživanjima – otkrivene su nove obitelji čvrstih elektrolita s vrlo visokom ionskom vodljivošću, sličnom tekućem elektrolitu, što omogućuje prevladavanje ove tehnološke barijere.
Koje su prednosti?
Prva velika prednost je značajno poboljšanje sigurnosti na razini ćelija i baterija: čvrsti elektroliti nisu zapaljivi kada se zagrijavaju, za razliku od svojih tekućih analoga. Drugo, ova tehnologija dopušta upotrebu inovativnih visokonaponskih materijala velikog kapaciteta, što omogućuje gušće, lakše baterije s boljim vijekom trajanja kao rezultat smanjenog samopražnjenja. Štoviše, na razini sustava, donijet će dodatne prednosti kao što su pojednostavljena mehanika, kao i upravljanje toplinom i sigurnošću.
Budući da baterije mogu pokazati visok omjer snage i težine, mogu biti idealne za upotrebu u električnim vozilima.
Kada ih možemo očekivati?
Nekoliko vrsta potpuno solid state baterija vjerojatno će doći na tržište kako se tehnološki napredak nastavlja. Prvi oblik će biti čvrste baterije s anodama na bazi grafita, koje će donijeti poboljšanu energetsku učinkovitost i sigurnost. S vremenom bi tehnologije lakših solid state baterija koje koriste metalnu litijevu anodu trebale postati komercijalno dostupne.
