7 технологии, които се борят да детронират литиевите батерии

Нуждата на електромобилите от повече сигурност и по-голям пробег тласна напред развитието на серни, цинкови и графенови батерии (снимка: CC0 Public Domain)

Графеновите батерии остават „несбъдната мечта“ на индустрията

Производителите на акумулаторни механизми трескаво търсят по-устойчиви алтернативи, които могат да помогнат за прехода на света към по-екологичен начин на живот. Автомобилните фирми искат такива батерии, които да се зареждат бързо и да не се подпалват. Енергийният сектор иска модели, които могат да побират много енергия от хилядите соларни и ветроенергийни паркове. Най-сетне всички хора, които са потребители на електроника, искат батериите да са леки и да може да се презареждат много пъти.

Твърдотелни батерии

Вместо да разчитат на течен или гелообразен електролит, твърдотелните батерии използват твърд електролит. Тези вещества обикновено са керамични, стъклени, твърди полимерни или изработени от сулфити.

Някои автомобилни производители вече ексспериментират с твърдотелни батерии. BMW получи първата си партида през ноември 2023 г. и продължи да работи върху прототипи. Toyota загатна, че може да пусне автомобили с твърдотелно захранване с батерии веднага след 2026 г. Подобни амбиции имаt и Volkswagen, NIO и др.

В сравнение с литиево-йонните батерии твърдотелните са по-ефективни, осигурявайки повече мощност при все същия размер. В резултат на това батериите за електромобили могат да станат по-компактни, да се зареждат по-бързо и да тежат по-малко. А това е добре – и може да увеличи пробега.

Смята се, че твърдотелните батерии имат по-дълъг живот – с до седем пъти повече презареждания през целия живот. Освен това се смята, че са по-безопасни, тъй като твърдият електролитен материал е огнеупорен, за разлика от литиево-йонните батерии, за които е известно, че представляват риск от пожар.

Недостатък на твърдотелните батерии е въпросът колко трудно е да се мащабира технологията в ранния й етап и да се произвежда за масова употреба, като се имат предвид тестовете и ограничените производствени възможности.

Литиево-серни батерии

Тази нова технология за батерии използва сяра за катода на батерията. Това би трябвало да е по-устойчиво решение от никела и кобалта, които обикновено се използват в анода заедно с лития.

Компании като Conamix, производител на батерии за електрически превозни средства, работят, за да превърнат литиево-серните батерии в масов продукт. Стремежът е да пуснат този вид батерии в търговската мрежа до 2028 г.

Има дори надежди, че литиево-серните батерии ще могат да се използват за захранване на самолети и влакове. А ако е така, то навярно ще могат да се използват и за съхранение на енергия от комунален клас.

Смята се, че литиево-серните батерии са по-ефективни от литиево-йонните батерии, което може да увеличи пробега на електромобилите. Освен това сярата е достъпна, евтина и изобилна. А това ще означава по-ниски разходи за производството на батериите. И тъй като производственият процес е същия като при литиево-йонните батерии, то същите съоръжения могат да се използват и за новото производство.

Напредъкът в литиево-серните батерии доведе до появата на възможности за ултра-бързо зареждане, което също е добра новина за автомобилния сектор, а също и за производителите на възобновяема енергия.

Един от основните недостатъци на литиев-серните устройства е корозията. Вярно е, е се разработват нови модификации, които да се справят с този проблем, но все пак това ще отнеме време. Друга слабост е, че тези батерии не издържат толкова дълго, колкото литиево-йонните.

Литиево-йонни, ама без кобалт!

Тези батерии работят като литиево-йонни батерии, но не съдържат кобалт, който обикновено се използва за стабилизиране на катода в литиево-йонна батерия.

Могат да се използват във всяко устройство, захранвано от литиево-йонна батерия, но голяма част от фокуса е върху разработването на безкобалтови батерии за електрически превозни средства. Използвани в момента от Tesla в някои модели електрически превозни средства, литиево-йонните батерии без кобалт скоро могат да станат основна част от моделите и на Lamborghini, тъй като компанията патентова новата технология за батерии на MIT.

Фактът, че не съдържат кобалт, има няколко отражения. Кобалтът е много скъп – ако не се налага да се използва в батериите, това ще се отрази благоприятно на цените. Освен това добивът му е свързан с неетични практики – погазване на човешките права. Всички компании се стремят да избягват това.

Но алтернативите на кобалта все още са много млади, не са тествани щателно, не са се доказали. Те ще изискват още доста тестове и изпитания. Поради тези причини производителите ще трябва да продължат да разчитат на кобалта.

Натриево-йонни батерии

От много време и много неща се говорят за натриево-йонните батерии. Те са подобни на литиево-йонните батерии, но използват солена вода за електролит.

Смята се, че тези батерии са подходящи за съхранение на енергия. С напредването на изследванията се оказва, че може би натриево-йонните батерии могат да осигурят по-бързо зареждане на електромобили, мобилни устройства и дори на космически технологии.

Въпреки ниската енергийна плътност – натриево-йонните батерии са в състояние да съхраняват само около две трети от количеството енергия, което може да побере литиево-йонна батерия със същия размер – технологията е много по-достъпна и много безопасна благодарение на ниския риск от пожар. Освен това се представя по-добре при по-ниски температури от литиево-йонните батерии.

Разбира се, ако са чак толкова идеални, защо не сме се сетили за тях по-рано, би попитал човек. Сетили сме се, но доста дълго натриево-йонните батерии бяха недолюбвано отрочен на науката – бяха твърде неефективни, за да могат да се конкурират на пазара.

Желязо-въздушни батерии

Батериите желязо-въздух работят чрез окисляване на желязото – използвайки въздух, за да превърнат желязото в ръжда. По време на процеса на зареждане на батерията клетките се трансформират обратно в желязо чрез обратно окисление.

Желязо-въздушните батерии са чудесни за съхранение на енергия, защото правят това, което и литиево-йонните, но на една десета от цената им. Затова надпреварата за изграждане и налагане на пазара на желязо-въздушни батерии е доста ожесточена и многобройни фирми се конкурират на арената.

Безспорен аргумент на всички в надпреварата е, че тези батерии са много достъпни, предвид изобилието от желязо и въздух в света. Освен, че са до 10 пъти по-евтини, те издържат до 17 пъти по-дълго. Единствените недостатъци са големият им размер и бавното време за презареждане.

Цинкови

Батериите, базирани на цинк, работят подобно на литиево-йонните батерии – с цинкови йони, протичащи от анода на батерията към катода. Този клас нова технология за батерии включва цинково-бромни модели, такива с цинково-манганов диоксид, цинково-въздушни и цинково-йонни батерии.

Твърди се, че цинковите батерии могат да се използват най-добре за съхранение на слънчева енергия поради ниската им степен на саморазреждане.

Голямото предимство на тези батерии е, че са способни да съхраняват изобилие от енергия. Освен това материалите, използвани в производството им, са достъпни, нетоксични и евтини.

Но изследователите все още се борят за разрешаването на някои технически проблеми, свързани с цинковите акумулатори, а именно потенциала им за възникване на късо съединение. Ефективността им също не е особено впечатляваща, така че ще са необходими повече изследвания, преди цинковите батерии могат да бъдат използвани по-масово.

Графенови батерии

Засега това си остава „несбъднатата мечта“ на електромобилния сектор. Графеновите батерии, ако навлязат в масово производство, могат драстично да променят всичко в колите.

Графеновите батерии се изработват предимно от прословутия графен, който се състои от тънък слой въглеродни атоми, подредени в структура като пчелна пита.

Графеновите батерии се разглеждат като най-голямата възможност за драстично подобрение на акумулаторите след ерата на литиево-йонните батерии. Графеновите модули могат действително да променят електромобилната индустрия радикално. Ежедневните устройства като смартфони и компютри също могат да бъдат оборудвани с графенови батерии, за да се подобри тяхната производителност.

Графеновите батерии са много по-проводими от своите литиево-йонни колеги. Те се отличават с по-бързо зареждане на дигиталните устройства и електромобилите. Имат много голям капацитет и дълъг живот. Здравата структура на графена го прави по-надежден материал от литиево-йонния аналог, намалявайки риска от експлозия и пожар на батерията.

Пречка за графеновите батерии засега е тяхната цена. Технологията остава скъпа и до голяма степен недостъпна за широката публика за момента.