Zašto su baterije u čvrstom stanju spremne zavladati svijetom?
Baterije u čvrstom stanju brže se pune, traju dulje i sigurnije su za okoliš – manje, učinkovitije i sigurnije mijenjaju pravila igre u pohrani energije
Nova znanstvena analiza objašnjava zašto je tehnologija baterija u čvrstom stanju spremna transformirati sve – od električnih vozila do potrošačke elektronike – i zašto predstavlja golem iskorak u pohrani energije.
Baterije u čvrstom stanju (solid-state batteries) pune se u djeliću vremena, rade na nižim temperaturama i pohranjuju više energije u manjem prostoru u usporedbi s klasičnim litij-ionskim baterijama. Umjesto zapaljive tekućine koja se koristi u standardnim modelima, one koriste čvrsti materijal koji je sigurniji i znatno učinkovitiji.
Dok klasičnim baterijama treba 30 do 45 minuta za punjenje do 80 %, baterije u čvrstom stanju to postižu za samo 12 minuta – pa čak i za tri. Prema riječima Cengiza Ozkana, profesora strojarstva na Sveučilišta Kalifornija u Riversideu i vodećeg autora studije, ključ je u novoj kemiji i inženjeringu. Rad je objavljen u časopisu Nano Energy.
„Zamjenom tekućine stabilnim čvrstim materijalima možemo u bateriju sigurno uvesti više električne energije odjednom, bez rizika od pregrijavanja ili požara“, kaže Ozkan.
Tradicionalne litij-ionske baterije prenose litijeve ione – nositelje električnog naboja – kroz tekuće ili gel elektrolite koji imaju vremensko ograničenje, s vremenom propadaju, ograničavaju brzinu punjenja i predstavljaju opasnost od požara.
S druge strane, baterije u čvrstom stanju koriste čvrste elektrolite – s tri glavna tipa: na bazi sulfida, oksida i polimera – što omogućuje sigurnije i stabilnije kretanje litijevih iona. Time se omogućuje brže i učinkovitije punjenje, uz manje sigurnosnih rizika.
Svaka vrsta ima svoje prednosti – neke omogućuju brži protok iona, druge imaju bolju dugoročnu stabilnost, a treće su lakše za proizvodnju. Posebno se ističu elektroliti na bazi sulfida, koji funkcioniraju gotovo jednako dobro kao tekućine u današnjim baterijama, ali bez njihovih nedostataka.
Znanstvenici opisuju i napredne alate koji im omogućuju praćenje rada baterija u stvarnom vremenu – poput neutronskog snimanja i rendgenskih zraka visoke snage, što im omogućuje uvid u to kako se litij kreće unutar baterije tijekom punjenja i pražnjenja. Time se otkrivaju područja gdje litij zapinje ili gdje nastaju neželjene strukture tzv. dendriti – tanke igličaste formacije koje mogu izazvati kratki spoj i kvar baterije.
„Ovi alati su poput magnetske rezonance za baterije“, kaže Ozkan. „Omogućuju nam praćenje vitalnih funkcija baterije i pametnije dizajnerske odluke.“
Baterije u čvrstom stanju također učinkovitije koriste litij – mnogi dizajni koriste sloj litijevog metala koji može pohraniti više energije na manjoj površini od grafitnih slojeva u klasičnim baterijama. To znači da ove baterije mogu biti lakše i manje, ali trajati jednako dugo – ili dulje.
Dok konvencionalne litij-ionske baterije u električnim vozilima počinju pokazivati znakove degradacije nakon otprilike pet do osam godina, baterije u čvrstom stanju mogle bi trajati 15 do 20 godina, ovisno o uvjetima korištenja.
Ozkan naglašava: „Iako su bile revolucionarne, tradicionalne litij-ionske baterije dosežu svoje granice u pogledu performansi i sigurnosti, osobito kako raste potražnja za električnim vozilima, obnovljivim izvorima energije, prijenosnom elektronikom i zrakoplovstvom.“
Ova tehnologija mogla bi igrati i ključnu ulogu u međuzvjezdanim putovanjima i istraživanju svemira jer su baterije u čvrstom stanju otpornije na ekstremne temperature i zračenja. Mogu pohraniti više energije u manjem prostoru – što je ključno za misije gdje se broji svaki centimetar – i pouzdanije su u zatvorenim, kontroliranim okruženjima poput svemirskih letjelica ili baza na drugim planetima.
Cilj ove znanstvene analize bio je usmjeriti istraživače i tehnološke tvrtke na ubrzanje razvoja, skalabilnosti i implementacije sustava u stvarnom svijetu.
No, izazovi i dalje postoje. Masovna proizvodnja ovih baterija još uvijek je teška i skupa. U radu se iznosi plan rješenja, uključujući razvoj boljih materijala, optimizaciju međusobnog djelovanja dijelova baterije i unaprjeđenje proizvodnih procesa.
„Baterije u čvrstom stanju sve su bliže svakodnevnoj primjeni“, zaključuje Ozkan. „Naš rad pokazuje koliko smo blizu njihovoj komercijalizaciji.“
D.R. | Ekovjesnik