Натрий вместо литий? Стъпка напред в търсенето на истински устойчива батерия

Глобалното търсене на батерии нараства, тъй като светът се стреми към бързо електрифициране на превозните средства и съхраняване на възобновяема енергия. Литиево-йонните батерии, които обикновено се използват в електромобилите, са трудни за рециклиране и изискват огромни количества енергия и вода за извличане на основния елемент за направата им. Компаниите трескаво търсят по-устойчиви алтернативи, които могат да помогнат за прехода на света към зелена енергия.

В австралийската долина Яра нова технология за батерии помага за захранването на жилищните сгради и търговските предприятия в страната – без използване на литий. Тези батерии разчитат на натрий – елемент, който се съдържа в готварската сол – и биха могли да се окажат важна стъпка напред в търсенето на наистина устойчива батерия.

„Натрият е много по-устойчив източник за батерии [от лития]“, казва пред BBC Джеймс Куин, главен изпълнителен директор на Faradion, базираната в Обединеното кралство компания за батерийни технологии, която произвежда натриево-йонни батерии за компанията за комунални услуги Nation Energie в долината Яра. „Той е широко разпространен в целия свят, което означава, че е по-евтин за добив, а извличането му не изисква толкова много вода“, обяснява още той.

За извличането на един тон литий е необходима 682 пъти повече вода в сравнение с един тон натрий. Това е значително количество.“

Натриево-йонните батерии на Faradion вече се използват от енергийни компании по целия свят за съхранение на електроенергия от възобновяеми източници. И те са само една алтернатива на тежката и нарастваща зависимост от лития, който през 2020 г. беше включен от Европейския съюз в списъка на „критичните суровини“. Предвижда се пазарът на литиеви батерии да нарасне от 57 млрд. долара през 2023 г. до 187 млрд. долара до 2032 г.

За да се намерят обещаващи алтернативи, е полезно да се разгледа какво е направило литиевата батерия толкова популярна. Някои от факторите, които правят една батерия добра, са продължителност на живота, мощност, енергийна плътност, безопасност и достъпност.

Недостатъците също са многобройни: в края на жизнения им цикъл рециклирането на тези батерии все още е сложен процес. Извличането на отделните метали в батерията за рециклиране включва отделяне на метала, след което те се разделят в течност, за да се извлече желаният метал.

Рециклирането на литиево-йонна батерия консумира повече енергия и ресурси, отколкото производството на нова батерия, което обяснява защо само малка част от литиево-йонните батерии се рециклират“, посочва Акса Назир, постдокторант в лабораторията за изследване на батерии към Международния университет във Флорида.

Извличането на литий с помощта на изпарителни басейни, както се прави в страни като Чили, е свързано с голям воден отпечатък. Проучванията показват, че по време на процеса на изпаряване в околната среда могат да се отделят замърсители, които потенциално да засегнат намиращите се наблизо общности. Недостигът на вода, причинен от добива, може също така да застраши поминъка на местните. Припокриването на минните обекти с районите на живот на коренното население също е довело до принудителна миграция и изоставяне на селища на предците.

Алтернатива на метода на изпаряване е добивът на твърди скали, какъвто се извършва в Австралия. Това обаче има своите недостатъци. За всеки тон литий, добит по време на добива на твърди скали, в атмосферата се отделят около 15 тона CO2.

И така, има ли жизнеспособни алтернативи на литиево-йонната батерия?

Натриево-йонни батерии

В натриево-йонните батерии натрият директно замества лития. За разлика от литиево-йонните батерии, натриевите съдържат четири основни компонента – анод, катод, електролит и сепаратор. Състоянието на електролита варира в зависимост от производителя.

Съотношението между натрий и литий в земната кора е 23 600 частици на милион (ppm) към 20 ppm. Естественото изобилие на натрий води до много по-ниски разходи за извличане. Друг фактор в полза на натриевата батерия е, че може да се използват други по-евтини материали, като медните фолиа се заменят с алуминиеви например.

Мария Форсайт, ръководител на катедрата по електроматериали и науки за корозията в университета Deakin, Австралия, казва, че преминаването от производство на литиеви към натриеви батерии би било сравнително евтино.

От производствена гледна точка преходът е лесен, защото същите фабрики, които в момента произвеждат литиево-йонни батерии, могат да произвеждат натриеви батерии“, казва Форсайт. „Това означава, че производството може да се разшири бързо.“

Едно от предимствата на натриевите батерии е тяхната безопасност при транспортиране. „Уникална характеристика на натриево-йонната технология е възможността за разреждане на натрия до нула волта за съхранение и транспортиране“, казва Куин, главен изпълнителен директор на Faradion.

Това означава, че тя може да се съхранява и транспортира при по-безопасни условия.“

По-ниските нива на риск от възпламеняване я правят по-безопасен вариант в сравнение с литиевите батерии, казва Куин.

Един от недостатъците обаче е ниската енергийна плътност. За производителите на електромобили батериите с ниска енергийна плътност са проблем, тъй като това се отразява на пробега на превозното средство. Докато литиевите батерии имат енергийна плътност между 150-220 Wh/kg (ват-час на килограм), натриевите имат по-ниска енергийна плътност в диапазона 140-160 Wh/kg. Менг казва, че това означава, че е по-малко вероятно натриевите батерии да се използват в търговската мрежа за електромобили, които изискват дълъг пробег между зарежданията.

Друга пречка е, че натриевите батерии могат да се справят само с кратък брой цикли на зареждане през целия си живот. Понастоящем те имат цикъл на зареждане от около 5000 пъти, докато литиево-желязофосфатните батерии (вид литиево-йонна батерия) могат да бъдат зареждани между 8000 и 10 000 пъти. Но изследователите работят за решаването на този проблем – през 2023 г. учени и инженери в Китай постигнаха 6000 цикъла, използвайки различен вид електрод.

През 2019 г. китайската фирма за батерийни технологии HiNa пусна в експлоатация електроцентрала за съхранение на енергия с капацитет 100 kWh, демонстрирайки възможността за използване на натриеви батерии за съхранение на енергия в голям мащаб. HiNa също така неотдавна пилотно пусна партида електромобили, захранвани с натриеви батерии.

Твърдотелни батерии

Твърдотелните батерии използват твърди електролити вместо течните или водните електролити, които са обичайни за традиционните батерии. Двата най-популярни вида твърди електролити включват неорганични твърди електролити (оксиди и сулфиди) и твърди полимери (полимерни соли или гел-полимери).

Използването на твърди електролити намалява риска от образуване на дендрити - тези дървовидни структури в батерията, които могат да причинят повредата ѝ. Батериите с твърди електролити също така имат по-малък риск от запалимост, по-висока енергийна плътност и по-бърз цикъл на зареждане.

Въпреки това твърдотелните батерии може да се окажат по-трудни за бързо мащабиране в сравнение с натриевите, казва Шърли Менг, професор по молекулярно инженерство в Pritzker School of Molecular Engineering към Чикагския университет.

Натриевите батерии са с по-ниска цена и са по-лесни за интегриране в настоящите заводи за производство на литиеви батерии.“

Въз основа на изчислителен модел за 2020 г. производствените разходи на твърдотелните батерии и в момента са по-високи от тези на литиево-йонните батерии.

За да се развие технологията на твърдотелните батерии, от съществено значение е да се намерят трайни твърдотелни електролити, което все още не е направено. Макар че този вид батерии намират малко приложение – например в носима електроника и IoT устройства – към момента те не са вариант за съхранение на енергия в големи мащаби.

„Трябва да бъдем реалисти“, казва Менг. „В момента може би полупроводниковите батерии са жизнеспособни за интернет на нещата и носимите устройства. Но за да могат технологиите в твърдо състояние да допринесат за енергийния преход, те ще трябва да бъдат мащабирани, за да произвеждат тераватчаса (TWh) енергия.“

Литиево-сернисти батерии

Литиево-сернистите батерии са сходни по състав с литиево-йонните и – както подсказва името – все още използват известно количество литий. Литият се съдържа в анода на батерията, а сярата се използва в катода. За сравнение, в литиево-йонните батерии се използват 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 извличане е по-малко ресурсоемък. Тя е и по-широко достъпна, тъй като е страничен продукт от преработката на природен газ и рафинирането на нефт. Въпреки че доставките на сяра могат да намалеят през следващите няколко десетилетия поради глобалната декарбонизация, само САЩ произвеждат 8.6 милиона тона сяра годишно.

Така че, въпреки че тези батерии съдържат литий, изобилието от сяра ги прави потенциално по-устойчив вариант в сравнение с конвенционалните литиево-йонни батерии, казва Акса.

Сходството с литиево-йонните батерии прави литиево-сернистите алтернативи сравнително лесни за производство. „Те могат да се произвеждат в същите производствени инсталации, което спестява разходи за нови технически ресурси“, казва Назир.

Литиево-серовите батерии имат и допълнителни функционални предимства, тъй като имат по-висока енергийна плътност, което означава, че произвеждат повече енергия, добавя Назир. „Сярата има способността да пренася повече електрони. Литиево-сернистите батерии имат девет пъти по-голяма енергийна плътност от литиево-йонните батерии.“

Въпреки това тези батерии имат проблем със зареждане. Образуването на дървовидни структури, наречени дендрити, може да доведе до късо съединение и повреда на батерията. Тъй като прототипите работят само за 50 цикъла на зареждане, те все още не са подходящи за използване например в електромобили.

Литиево-сернистите батерии вече са на пазара и се използват за джаджи, изискващи батерии с по-ниско тегло и по-дълго време за еднократно зареждане. През 2020 г. корейската химическа компания LG Chem успешно пилотира дрон, задвижван от литиево-серниста батерия, и потвърди, че батерията има стабилни цикли на зареждане и разреждане. LG Chem възнамерява до 2025 г. да започне масово производство на литиево-серни батерии с двойно по-голяма интензивност от литиево-йонните батерии. Междувременно германският стартъп за батерии Theion също работи за внедряване на литиево-серни батерии в електромобилите.

Ако едно нещо е ясно, то е, че нито един тип батерия няма да бъде универсален отговор за замяната на литиево-йонните батерии. Но както посочва Форсайт, това не е лошо.

Не е необходимо да заменяме лития във всички батерии, необходима е диверсификация на технологията на батериите“, казва Форсайт. „Може би не става въпрос за един заместител, а за алтернативи, които могат да се използват там, където е правилно да се използват.“