Želja po uporabi prenosnih elektronskih naprav z učinkovitejšimi baterijami velikih zmogljivosti je očitna. Guangyuan Wesley Zheng, inženir kemijskega inženirstva na Inštitutu za raziskave in inženiring materialov (IMRE) pri A * STAR, pravi: “Kmalu boste lahko napolnili baterije mobilnega telefona v samo nekaj sekundah.” Boeing in Airbus govorita o električnih letalih, med drugim se nam obeta revolucija z električnimi avtomobili, električna kolesa, droni in še bi lahko naštevali.



OSNOVE BATERIJE

Baterije pretvorijo shranjeno kemično energijo neposredno v električno energijo. Poznamo tri glavne komponente baterij:

(-) Anoda: negativna elektroda, odda elektron zunanjemu vezju, zato na njej poteka oksidacija.

(+) Katoda: pozitivna elektroda, sprejme elektron iz zunanjega vezja, zato na njej poteka redukcija.

Elektrolit oziroma ionski pretvornik: Medij, ki zagotavlja mehanizem ionskega transporta med katodo in anodo celice. Lahko je tekoča ali trdna.



EVOLUCIJA BATERIJSKE TEHNOLOGIJE

Medtem ko je preprosta baterija precej enostavna, je zelo težko narediti zelo dobro baterijo. Uravnoteženje moči, teža, stroški in drugi dejavniki pomenijo, da je potrebno obvladovanje številnih kompromisov.

Tukaj je kratka zgodovina, kako so se baterije v preteklih letih spremenile:

Voltaic Pile (1799)

Njegov izum je nasprotoval teoriji, da električno energijo lahko ustvarijo samo živa bitja.

Italijanski fizik Alessandro Volta je leta 1799 ustvaril prvo električno baterijo, ki bi lahko zagotavljala neprekinjen električni tok v vezju. Uporabil je cink in baker za elektodi in papir namočen v slanico za elektrolite.

Daniell Cell (1836)

Približno 40 let kasneje, je britanski kemik pod imenom John Frederic Daniell ustvaril novo celico, ki naj bi rešila “mehurček vodika”, ki je predstavljal problem pri Voltaic Pile. Ta problem, v katerem so mehurčki, zbrani na dnu cinkove elektrode, so omejevali življenjsko dobo in uporabnost baterije.

Uporabil je bakreno posodo, napolnjeno z raztopino bakrovega sulfata, ki je bila v nadaljevanju potopljena v lončeni posodo, napolnjeno z žveplovo kislino in cinkovo elektrodo.

Potencialna celica Daniell je postala osnovna enota za napetost, enaka enemu voltu.

Svinčeva kislina (1859)

Baterija za polnjenje, ki jo je leta 1859 izumil francoski fizik Gaston Planté.

Svinčeve akumulatorske baterije so odlične na dveh področjih: so zelo poceni in tako lahko dobavljajo visoke valove električnega toka. To pomeni, da so baterije primerne za avtomobilske zaganjalnike še z današnjo tehnologijo. Tudi to je del razloga, da je bilo še v letu 2014 po celem svetu prodanih za 44,7 milijard dolarjev za svinčevih akumulatorjev.

Nikelj kadmij (1899)

NiCd baterije so leta 1899 izumili Waldemar Jungner na Švedskem. Prve so bile “vlažne celice”, podobne

svinčevim akumulatorjem, z uporabo tekočega elektrolita. Nikelj-kadmijevi akumulatorji so pripomogli k sodobni tehnologiji, vendar so vse manj v uporabi zaradi toksičnosti kadmija. Akumulatorji NiCd so v devetdesetih letih izgubili 80% svojega tržnega deleža.

Alkalne baterije (1950)

Priljubljene po blagovnih znamkah, kot so Duracell in Energizer alkalne baterije se uporabljajo v običajnih gospodinjskih aparatih od daljinskega upravljalnika do svetilk. Izdelane so bile za enkratno uporabo, čeprav jih je mogoče napolniti z uporabo posebej izdelane celice.

Sodobno alkalno baterijo je z uporabo cinka in manganovih oksidov v elektrodah izumil kanadski inženir Lewis Urry leta 1950. Tip akumulatorja uporablja svoje ime: kalijev hidroksid.

Na svetu je bilo izdelanih več kot 10 milijard alkalnih baterij.

Nikelj-kovinski hidridi (1989)

Podobno kot NiCd je to baterija za ponovno polnjenje. Formula NiMH uporablja namesto strupenega kadmija zlitino, ki absorbira vodik. Zaradi tega je okolju bolj prijazna in prav to pripomore tudi k povečanju gostote energije. NiMH baterije se uporabljajo v električnih orodjih, digitalnih fotoaparatih in nekaterih drugih elektronskih napravah. Uporabljale so se tudi v zgodnjih hibridnih vozilih kot je Toyota Prius.

Razvoj NiMH je potekal dve desetletji, sponzorirali sta ga Daimler-Benz in Volkswagen AG. Prve tržne celice so bile na voljo leta 1989.

Litij ion (1991)

Sony je leta 1991 objavil prvo komercialno litij-ionsko baterijo. Litij-ionske baterije imajo visoko energijsko gostoto in imajo različne aplikacije. Na primer litijev kobalt dioksida (LiCoO2) katode se uporabljajo za prenosne računalnike in pametne telefone, medtem ko so litijev aluminijev oksid nickelcobalt (LiNiCoAlO2) katode, znane kot NOK, uporablja v baterijah vozil kot je Tesla Model S.

Grafit je navaden material, ki se uporablja v anodi in je pogosto vrsta litijeve soli, suspendirane v organskem topilu.

Litij-ionske baterije so bile prevladujoče baterije na trgu od svojega komercialnega prveneca v začetku leta 1990. Tesla Motors, na primer, proizvajalec električnih vozil s sedežem v Silicijevi dolini, zdaj gradi “gigafactory”, ki dramatično povečuje proizvodnjo litij-ionskih baterij.

Vendar pa litij-ionske baterije že dosegajo zgornjo mejo svojih sposobnosti, pravi Zhenga, Zhi Wei See, znanstvenik z IMRE. “Namesto, da bi delali postopne teoretnične izboljšave glede litij-ionskih baterij, raziskujemo drastično drugačne revolucionarne tehnologije baterij.” je zapisal v objavljenem znanstvenem članku.

Od litij-ionskih do litij-žveplovih baterij

Mnoge raziskovalne skupine preučujejo potencial litij-žveplovih baterij kot alternativo, vendar sta Zheng in See med najbolj ambicioznimi, nedavno celo imenovana med najboljšimi inovatorji MIT Technology Review pod 35 let v Aziji.

Litij-žveplove baterije so privlačne, ker so poceni in bogate z energijo (teoretično imajo energijo petkrat večjo od litij-ionskih baterij). “To pomeni, da bi z litij žveplovo baterijo lahko teoretično potovali petkrat dlje,” pojasnjuje Zheng. Lahko se uporablja tudi kot sistem za shranjevanje visokokakovostnih omrežij za obnovljive vire energije, kot so sončna in vetrna energija.

Kot vse baterije, litij-ionske in litij-žveplove baterije, energijo shranjejo v obliki kemične, ki se pretvori v električno energijo med praznjenjem. Osnovna konfiguracija litij-ionske baterije vključuje dve elektrodi iz različnih materialov, pri čemer sta obe zmožni hraniti litij.

Ko je litij-ionska baterija priključena na vezje, med praznjenjem, negativna elektroda (anoda) oksidira, medtem ko se pozitivna elektroda (katoda) zmanjšuje. Sprememba kemične sestave elektrod stimulira premik električnega toka od anode h katodi skozi vezje naprave za električno napajanje, kot tudi premik litijevih ionov iz ene elektrode na drugo znotraj akumulatorja. Ko ionov zmanjka se baterija izprazni. Ko je akumulator priključen na polnjenje, se ta proces obrne (katoda oksidira, medtem ko se anoda zmanjša) in obe elektrodi se vrneta v prvotno stanje.

Žveplove baterije obljubljajo večjo učinkovitost z uporabo drugačnega mehanizma za shranjevanje. Temeljna funkcija je podobna principu litij-ionske baterije: med praznjenjem, litij kovinska anoda oksidira, litijevi ioni pa potujejo skozi tekoče elektrolite v notranjosti baterije do dosega žveplove katode, kjer reakcija zniža raven žvepla, da se lahko tvori litijev sulfid. Kot v litij-ionskih baterijah, sprememba sestave elektrod stimulira pretok elektronov iz ene elektrode v drugo prek vezja naprave. Tudi tu se med polnjenjem ta proces obrne.

Za razliko od običajnih litij-ionskih baterij, pri katerih so ioni vstavljeni v elektrodni material, litij-žveplove baterije uporabljajo kovinske pločevine. Teoretična energijska gostota žveplove litijeve baterije je veliko višja, 2500 Wh/kg.

Možnost litij-žveplovih baterij je bila odkrita že v šestdesetih letih prejšnjega stoletja, vendar velikanski tehnični izzivi še vedno ovirajo komercializacijo. Na katodni strani večje težave vključujejo nizko elektronsko prevodnost žvepla in litijevega sulfida, saj so naravni izolatorji. To povzroča hitrejši upad življenjske dobe. Raziskovalci so poskušali rešiti prvo težavo s premazovanjem delcev žvepla s prevodnim materialom, kar jim ni uspevalo. Preboj je prišel leta 2009, ko je kanadska ekipa razvila tehnologijo za zajetje žveplovih delcev v visoko odrejen okvir, izdelan iz poroznega ogljika. Ker se volumen delcev žvepla poveča za 80 odstotkov, razvita zaščitna prevleka povzroči problematično raztapljanje polisulfida. Stabilno delovanje bi torej lahko doseglo le malo preko 20 ciklov polnjenja-praznjenja baterije (za primerjavo, življenjska doba konvencionalne AAA litij-ionske baterije je približno 500-1000 ciklov). Kljub temu pa se od leta 2009 naprej pospešujejo raziskave litij-žveplovih baterij.

Avtor: Marko Vidrih