Baterijų revoliucija: kokios technologijos mums leis pamiršti kasdien išsikraunančius telefonus?

Mes apie jas pagalvojame tik tada, kai jos išsikrauna. Tuomet ikonos užsidega raudonai ir mirksi įspėjamieji signalai. Tai yra neišvengiamas kasdieninis erzinimas. Ir jis siekia kur kas daugiau nei tik išmaniuosius telefonus ar kompiuterius, rašo „New Scientist“.

Žmonės, norėdami kontroliuoti aplinką, kliaunasi dviem dalykais: informacija ir energija.

Mažėjantys tranzistoriai ir mikroprocesorių augimas mums suteikia galimybę kaupti ir manipuliuoti duomenimis ir įrenginiais.

Tačiau su energija mes užstringame rutinoje. Elektrinių automobilių vystymas nejuda į priekį taip, kaip norėtume, nes trūksta būdų automobilius energija aprūpinti pigiai, efektyviai ir ilgoms distancijoms. Nors ir padaryta didelė pažanga išgaunant energiją iš vėjo, Saulės ar vandens, galimybės ją kaupti kol kas minimalios.

Korporacijos ir vyriausybės investuoja milijardus dolerių į naująsias baterijų technologijas, tačiau kol kas nepasiekta didelės sėkmės.

Jei ir toliau norime nevaržomai komunikuoti ir išsilaisvinti nuo iškastino kuro priklausomybės, reikės pakeisti tradicinį mąstymą, nes kitaip greitai prireiks baterijos baterijoms.

Dabartinės baterijų talpos ribos greičiausiai yra jūsų kišenėse – kaip ir dar dviejų milijardų Žemės gyventojų. Telefonuose įdiegtos ličio jonų baterijos, kuriomis aprūpinama daugelis telefonų, atrastos daugiau nei prieš du dešimtmečius mirštant kasečių industrijai.

Kompaktinių diskų augimas privertė Japonijos bendrovę „Sony“ galvoti, kaip panaudoti seną kasečių gamybos įrangą. Užuot dengę kasetes su magnetinėmis juostomis, kurios padėtų įrašyti duomenis, japonai jas pradėjo dengti elektrodų sluoksniais, kurie galėjo kaupti elektros krūvį.

Lemtingas atradimas

Pirmosios ličio jonų baterijos turėjo šių elektrodų juostų ritinėlius, susuktus į cilindrą, visai kaip kasetėje.

Tuomet jos buvo dvigubai geresnės nei bet kokie rinkoje esantys panašūs energijos kaupimo įrenginiai, o egzistavusios nikelio–kadmio ir nikelio–metalo hidrido baterijos naudojo cheminius pokyčius dviejų elektrodų paviršiuje, kad persiųstų krūvį renkančius hidroksido jonus vienu ar kitu keliu – įkrautų arba iškrautų.

Naujoji ličio jonų technologija leido pasiekti tą patį keičiant ličio jonus, tačiau juos sudedant į ir iš nanoskalės tarpus baterijos elektrodų medžiagoje. Šis procesas dar vadinamas interkalacija.

Kadangi yra lengvas metalas, litis turi daug krūvį pernešančių jonų, leisdamas sukurti mažesnes ir galingesnes baterijas.

Ličio jonų baterijos suklestėjo nuo pat jų pasirodymo. Pirmiausiai jų plitimą lėmė asmeninėms reikmėms skirti elektronikos įrenginiai kaip vaizdo kameros, o vėliau – telefonai ir nešiojamieji kompiuteriai.

Nors ličio – jonų baterijos pagal vartojimą dar gerokai nusileidžia beveik kiekviename automobilyje sutinkamoms didelių gabaritų rūgštinėms baterijoms, šįmet ličio jonų baterijoms vartotojų išleista suma sudarys trečdalį visoms įkraunamoms baterijoms išleistų pinigų.

Per ilgus metus nuo sukūrimo ličio jonų baterijos labai pagerėjo. Ilgainiui jos pradėtos naudoti ir automobiliuose – „Tesla Motors“ naudoja tūkstančius mažų ličio jonų baterijų, įmontuotų tarp automobilio ašių. Iki 95 kilometrų per valandą automobiliai gali įsibėgėti per 3,1 sekundės. Ir nuvažiuoti iki 430 km, nors įkrauti baterijas užtrunka ilgai.

Ir „Tesla“ neketina sustoti – bendrovė Nevadoje pastatė naują gamyklą, ir iki 2020 m. planuoja pagaminti tiek ličio jonų baterijų, kiek visas pasaulis pagamino 2013 metais. Nors „Tesla“ planas, kaip pasiekti tokius tikslus išlieka paslaptyje, greičiausiai tam reikės pakeisti būdą, kaip šios baterijos gaminamos. Dabartinės „Tesla Model S“ baterijos yra gerokai įmantresnės, nei naudotos prieš 25 metus.

Ir geresnes ličio jonų baterijas kuria ne tik didelės įmonės. Vienas Kembridže įsikūręs nedidelis startuolis „24M“ pritraukė daugiau nei 50 mln. dolerių investicijų dėl alternatyvaus gamybos metodo. Užuot naudoję specialias orkaites, kad išdžiovintų suspensiją, kuri turi pozityvius ir negatyvius baterijos elektrodus, bendrovė rado būdą, kaip padaryti, kad visas procesas būtų „šlapias“, tokiu būdu sutaupydama laiko, supaprastindama dizainą ir padidindama energijos tankį. „24M tikina, kad šis metodas sumažins baterijų gamybos išlaidas perpus.

Nuolatinis karštis

Kaip „Tesla“ ketina paspartinti ličio jonų baterijų gamybą lieka paslaptyje, tačiau idėja yra panaudoti dangas, kurios paprastai naudojamos prailginti lankstinių jungčių ilgaamžiškumą ir pritaikyti jas gaminant baterijas su sausais elektrodais. Šiuo metu testuojama daug tokio tipo baterijų gamybos būdų norint išsiaiškinti, kuris suteiks daugiausiai naudos.

Ličio jonų technologija turi labai didelę varomąją jėgą, o tai reiškia, kad ji formuos mūsų naujos energijos infrastruktūros pagrindą.

Tačiau ličio jonų technologija nėra be trūkumų. Litis išskiria daug šilumos, taigi ličio baterijos perkrovus elementus gali užsidegti.

2006 m. „Sony“ atšaukė 6 mln. nešiojamųjų kompiuterių baterijų, kurios spontaniškai užsidegdavo. 2013 m. užsidegė vieno iš naujos kartos „Boeing“ orlaivio baterija, kol šis stovėjo tuščias Bostono Logano oro uoste. Nuo to laiko „Boeing“ atnaujino savo programinę įrangą ir modernios sistemos padėjo suvaldyti problemas, tačiau technologiją, kuriai reikia griežtos priežiūros, vargiai galima pavadinti idealia.

Kitų problemų taip lengvai pataisyti neišeina. Ličio jonų baterijos pasiekia fundamentalias elektrochemines ribas dėl tankio ir baterijų galimybių kaupti energiją. Talpių baterijų kaina tai pat aukšta, todėl jas pritaikyti dideliu mastu gali būti problematiška.

Rachidas Yazamis iš Nanyango technologijų universiteto Singapūre sako, kad ličio jonų baterijoms reikia rasti naują cheminį pagrindą.

Litis yra toks akivaizdus dominuojantis energijos talpinimo pasirinkimas, kad daugelis alternatyvų taip pat pradeda nuo ličio. Vienas jų yra sieros – ličio akumuliatorius, kuris kaupia ir išleidžia energiją formuodamas cheminius ryšius, užuot sustatęs jonus į struktūrinius tarpus.

Tokios baterijos yra saugesnės ir turi mažiau galimybių užsidegti, ir, nors jos dar nėra komerciškai pasiekiamos, jos pademonstravo tris kartus didesnį energijos tankį nei dabartinėse baterijose.

Tačiau priklausomybė nuo ličio galbūt ir nėra geriausia alternatyva. Jį ne visuomet galima gauti tarptautinėse rinkose. Didžiausi ličio ištekliai yra Čilėje ir Bolivijoje. Abiejose šiose valstybėse yra maždaug 40 proc. visų ličio išteklių. O Bolivija iki šiol neįsileido jokios privačios bendrovės, kuri galėtų išgauti litį – visas litis turi būti gaminamas Bolivijoje ir eksportuojamas.

R.Yazamis yra vienas iš tyrėjų, kuris ieško alternatyvių elementų. Jis droviai kalba apie savo projektą, teigdamas, kad jo laboratorijoje naudojamos medžiagos, kur kas lengviau pasiekiamos, nei litis.

„Jei jums pasakyčiau, kad galiu sukurti bateriją, kuri gali būti įkrauta per 15 sekundžių daugiausiai kartą per savaitę, turbūt būtumėte laimingi, – sakė R.Yazamis. – Mes tą laboratorijoje ir darome.“

Darbas, eksperimentavimas, klaidos ir nuolatiniai bandymai su Periodinės elementų lentelės cheminiais elementais ilgą laiką buvo vienintelis būdas, leidžiantis atrasti naujų baterijų.

Tačiau tai pamažu keičiasi. Dabar mes galime naudotis informacijos revoliucijos vaisiais, kad panašią revoliuciją pradėtume energijos srityje. Greiti šių dienų superkompiuteriai suteikia galimybę sudėti aibę kombinacijų su skirtingomis elementų proporcijomis ir optimizuoti tam tikras savybes, kaip energijos tankis ir krovimo ilgumas.

Vienas iš tokio metodo vaisių – Lawrence Berkerelio nacionalinės laboratorijos ir įmonės „Argonne“ bendradarbiavimo sistemos „Electrolyte Genome“ sukurta prototipinė baterija, kuri vietoje ličio jonų naudoja magnio jonus.

Magnio jonai turi du teigiamus krūvius, o ličio – vieną, tokiu būdu padvigubindami galimybę talpinti energiją. Tačiau jie dažniausiai demonstruojami tik nedidelių gabaritų kombinacijomis su kitais elementais.

Dar viena rūšis galimų alternatyvų yra tekančios baterijos, kuriose energijos kaupimo medžiaga yra ištirpinama tirpale, o tai leidžia eksperimentuoti su dideliu kiekiu skirtingų elementų. Tokio tipo baterijos turi mažesnį energijos tankį, tačiau yra kur kas pigesnės nei dabar labiausiai paplitusios.

Saulės energija

Sumažinti jau egzistuojančių baterijų gamybos kainą gali būti kur kas svarbiau, nei pagerinti jų energijos kaupimo tankį, mano Jeffas Dahnas iš Dalhousie universiteto Kanadoje. Anot jo, „Tesla Model S“ yra fantastiškas automobilis, tačiau vienas didžiausių trūkumų yra jo kaina.

Dar vienas svarbus klausimas – kaip talpinti elektrinių pagaminamą energiją?

Elektros poreikis priklauso nuo paros meto ir sezonų. Dabar mums labiausiai reikalinga energija daugiausiai aptinkama gamtinių dujų ir anglies pagrindu.

Atsinaujinančios energijos ištekliai, tokie kaip Saulės, vėjo ar bangų energija, tik padidina sumaištį: vėjo greitis, debesuotumas ir kiti faktoriai, nuo kurių priklauso energijos išgavimas, nebūtinai sutampa su mūsų poreikiu.

Mūsų šimtmečio senumo elektros paskirstymo modelis kelia problemų, nes reikia išgauti energiją iškart, kai tik ji pagaminama. Pavyzdžiui, šių metų kovo 20 – ąją Saulės užtemimas eliminavo du trečdalius visos Vokietijos Saulės energijos.

Tinklų operatoriai, kurie žinojo apie artėjantį trūkumą, pasinaudojo anglies, dujų ir hidroelektrinių energija, kad patenkintų poreikį dėl stygiaus. Nors, jei būtų galimybė saugoti anksčiau sukauptą energiją, toks trūkumas apskritai nesukeltų problemų.

Tačiau tam, kad baterijos galėtų konkuruoti su iškastiniu kuru, jos turi būti pigios. Iš visų būdų kaupti energiją, ličio jonų baterijos yra pačios brangiausios.

Kai kurios bendrovės, kaip „Samsung“ ar „Siemens“ pasiūlė produktus, kurie leistų talpinti elektrinių pagaminamą energiją, tačiau palyginus su iškastiniu kuru, jos yra gerokai brangesnės ir geba tiekti energijos tik trumpiems periodams. Sutalpinti visą elektrinės pagaminamą energiją būtų milžiniškas uždavinys.

Kol kas atsakymas būtų galimybė atsigręžti į mažesnės talpos įrenginius, suteikiant galimybę kaupti energiją mažesnės talpos įrenginiuose. Tokį įtaisą – „Powerwall“, skirtą namams ir verslui, neseniai pasiūlė „Tesla“. Jos veikia tokiu pat principu, kaip ir esančios automobiliuose ir gali talpinti energiją iš Saulės ar elektros tinklų.