Направи дарение на училище!

Светът отчаяно се нуждае от евтини и изобилни батерии. Можем ли да ги направим от обикновен натриев хлорид?

Те са джаджите, които тихо захранват живота ни – литиево-йонните батерии. Нашите телефони, лаптопи и (все повече) нашите автомобили разчитат на тях. Те вече изглеждат повсеместни, но истинската революция на батериите тепърва предстои.
Просто вземете електрическите превозни средства: през 2019 г. броят на електрическите автомобили по световните пътища беше малко над 7 милиона, но се очаква тази цифра да достигне до около 200 милиона до 2030 г.
И накрая да обмислим и нашите надежди да управляваме бъдещето на зеленото електричество от вятърни турбини и слънчеви панели. Това също ще зависи от огромни батерии, които могат да съхраняват електричество, когато е необходимо, изглаждайки върховете и коритата в кривата на търсенето.

Фирми по целия свят влагат милиарди във фабрики за батерии, за да отговорят на търсенето. Но това ще изисква много литий. Толкова много, всъщност, че не е ясно дали ще можем да го добиваме в достатъчни количества, за да запазим околната среда, или поне да не се налага да я опустошаваме още повече отколкото сега.
Може да дойде момент, в който литият ще стане твърде оскъден или скъп, за да бъде използван като ключова съставка в тази технологична революция.

Ами ако можем да направим батерии, използвайки нещо толкова обичайно, че почти всеки го има в кухнята си?
Изследователите от години работят върху батерии, базирани не на литий, а на неговия близък химически братовчед натрий, който е половината от натриевия хлорид или с други думи – обикновената готварска сол. Това разбира се съвсем няма да е просто.
Но най-накрая откриваме възможност да се измъкнем от гърлото на тази литиева бутилка.

И така – може ли батериите на бъдещето да бъдат направени от сол?
За да разберем как тази кулинарна подправка може да ни помогне да решим този проблем, първо трябва да знаем основите на това как работят батериите. Мислете за тях като за верига, която е отчасти електрическа, отчасти химическа.
Нещата започват от анода на батерията, направен от материал, който може да отделя електрони, а когато батерията е на литиева основа – литий. Включете каквото и да е устройство свързано към батерията и то ще започне да издърпва електрони от нея, за да се захранва.
Междувременно положително заредените литиеви киселини, загубили електроните си, се дифузират от анода чрез течен или гелов електролит и се вмъкват в порите на катода.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Пълно зареждане

В крайна сметка електроните в анода свършват, след което неминуемо виждате как иконката с нисък заряд на батерията мига мрачно на вашия екран. Но възхитителното при акумулаторната батерия е, че процесът работи и в двете посоки. Осигурете му външен източник на електричество, като го свържете към електрическата мрежа и всичко ще потече обратно: литиевите йони се връщат обратно към анода и се рекомбинират с нови електрони, готови процесът да започне отново. Нетипичната батерия за смартфон на базата на литий-йон може да бъде презаредена впечатляващото количество от поне 500 пъти, преди да се появи забележима загуба на производителност.

Пътят на литиево-йонната батерия към превъзходството започва през 1980 г., когато химикът Джон Гудиноу, сега в Тексаския университет в Остин, разработва прототип, който е по-мощен от всеки друг по това време. Той спечели Нобелова награда за това свое постижение през 2019 г. заедно с Акира Йошино и Стенли Уитингъм.
Литиевите батерии скоро след това вече доминират на пазара и все още остават несравними поради причини свързани с неизбежната химия. В периодичната таблица литият се появява на върха на металите от група 1, набор от елементи, чиито атоми са склонни да носят заряд от +1. Литият е най-малкият и най-лекият от групата и затова има най-висока плътност на заряда, което означава, че литиевата батерия може да събере повече йони и така да държи повече енергия от батерията със същото тегло, направена от друг метал от група 1. Лесно е да се разбере защо това е привлекателно за потребителите на смартфони и производителите на електрически автомобили.

Но литиевите батерии вървят в комплект със сериозни екологични недостатъци. Макар литият да не е най-рядко срещаният метал, основната част от добиването му се случва само на две места в света: мините в Австралия и солните полета в „литиевия триъгълник“ около границата между Чили, Боливия и Аржентина.
В Южна Америка литиевите саламури се разтварят последователно и се оставят да се изпарят, за да се отстранят примесите. Това изисква около 1,9 милиона литра вода на тон литий, огромно количество, което оставя местните ферми и общности пресъхнали. С литий, добиван в толкова малко страни, съществува и риск от геополитически конфликти между производителите и големите потребители като Китай, ако – както се прогнозира – предлагането започне да става по-оскъдно.

Усилията сега са насочени към това да се заобиколят тези трудности. Но най-добрите ни батерии имат и друг сериозен проблем – кобалтът.
Достатъчно добрият дизайн, който все още се използва и днес, използва катод от литиево-кобалтов оксид. Кобалтът обаче е още по-голяма рядкост. Около две трети от световния добив на кобалт идва от една държава – Демократична република Конго. Като голяма част от метала се изкопава от миньори, включително деца, които често работят без никакво оборудване за безопасност в ужасни условия и печелят 3 долара на ден или по-малко.
Друг тип литиева батерия използва катод от манган и никел, които също са рядкост.

Потенциалът на натрия като заместител на лития се предполага с поглед към периодичната таблица. Той седи в квадрата под лития, също в група 1, но по-тежък.
Въпреки че има почти същия химичен състав като лития, той няма нито един от екологичните багажи или географски ограничения.
„Натрият е толкова демократичен“, казва изследователят на батериите Мария Хелена Брага от Университета в Порто, Португалия.
Що се отнася до солта Американската геоложка служба дори не се опитва да посочи размера на солните запаси на Земята, казвайки просто: „Световните континентални ресурси от сол са огромни.”

Натрият обаче не е автоматично решение. До голяма степен това е така, защото е доста по-тежък, с относителна атомна маса 23, спрямо 7 на лития. Това е отразено в стандартните потенциали на двата метала, индикация за максималния обем работа, която батерията, направена от тях, може да свърши . Литият, при -3,03 волта, има най-добрата стойност от всеки друг метал, като натрият е зад -2,71 волта.
„Натрият е по-тежък, има по-ниско напрежение“, казва Нурия Тапия-Руиз, изследовател на батериите от университета в Ланкастър, Великобритания. „За да го сравним с литиево-йонна батерия, имаме нужда от много повече материали и затова ще направим по-тежки батерии.“

Големи, но не лоши

Но обемистата батерия не винаги е лоша. „Ако искате да съхранявате енергия от слънчеви панели или вятърни турбини, това което ви трябва е много голяма батерия. Не е задължително да се тревожите за енергийната плътност или колко е тежка“, казва
Робърт Армстронг от университета в Сейнт Андрюс, Великобритания. Подтикнати от тази мисъл, изследванията върху натриевите клетки – и всякакви други конструкции на батерии – продължават от години.
Не е възможно просто да се използват натриеви йони в съществуващите литиеви батерии. Вместо това всеки от трите компонента на батерията трябва да бъде преработен. Но по този начин научихме, че натриевите батерии имат предимства, които отиват и отвъд ползите за околната среда.

Първо е катодът, който в литиево-йонните батерии изисква метали като кобалт.
Добрата новина е, че вече сме се научили да правим катодни натриеви батерии от слоеве с по-устойчиви метални оксиди, като магнезий, желязо и мед.
„Винаги се опитваме да избягваме кобалт и никел“, казва Тапиа-Руиз. С тези катоди са постигнати работещи батерии, включително тези, произведени от HiNa Battery Technology в Китай.
След това е анодът. Той е направен от графит в литиево-йонните батерии, но порите на този материал са твърде малки за натрия. Най-добрата намерена алтернатива досега е инженерната форма на въглен, която има по-големи пори. Все още не е известно колко въглените се разширяват и свиват при навлизане и излизане на натриевите йони. Така че в някакъв момент такава батерия ще загуби производителност или ще се стигне до евентуално късо съединение. Тапия-Руиз казва, че тя и други правят опити с различни сплави и форми на въглерод, за да намерят най-добрия вариант.
И накрая идва най-предизвикателният компонент – електролитът. Проблемът е, че в метално-йонните батерии от всякакъв вид електролитът може да реагира с анода и катода, образувайки върху тях слой, който изчерпва производителността.
Това се случва в литиево-йонните батерии, но не е проблем, тъй като слоят остава стабилен след първия цикъл на зареждане. В прототипите на натриеви батерии обаче твърдият слой има тенденция да се натрупва. Получаването на работеща натриева батерия включва препроектиране на всеки от трите компонента и безпроблемната им работа.

През юни 2020 г. Юехе Лин от Вашингтонския държавен университет и неговият екип направиха точно това, обявиха прототип на натриево-йонна батерия, която имаше капацитет, подобен на някои литиево-йонни батерии и която можеше да се презарежда повече от 1000 пъти, като същевременно се запазва 80 процента от нейната производителност. Решаващата съставка беше силно концентриран електролит, който не губи производителност, дори ако част от него реагира с електродите.
Прототипи като този, разбира се, не са готови продукти, които могат да бъдат поставени в камера или друго устройство. Достигането до тази точка изисква нанасяне на електродите върху метали, така че те да се свързват перфектно с електронни вериги, наред с други неща. За щастие този етап на развитие дава повече добри новини за натрия.
В литиево-йонна батерия катодът е нанесен върху алуминий. Но същият метал не може да се използва при анода, тъй като литиевите йони могат да образуват сплав с него и затова вместо това се използва мед. За съжаление наличието на различни метали на всеки край означава, че батерията винаги има електрически потенциал, дори когато не се използва. В резултат на това литиево-йонните батерии могат да дадат късо съединение, да прегреят или да се запалят при изключване. Това е особено рисковано, когато много батерии се доставят заедно. Натриевите батерии могат да използват алуминий както за катода, така и за анода, което елиминира този проблем.

На вашият велосипед

Натриево-йонните батерии може да са по-тежки от литиевите, но са с предимства в почти всички други отношения, така че това започва да изглежда като достоен компромис.
Такова е със сигурност отношението на Faradion, компания със седалище в Шефилд, Великобритания. Те произвеждат еднокилограмова натриево-йонна батерия, която според тях има подобна производителност като литиевата.
През 2015 г. фирмата демонстрира електрически велосипед, задвижван от нейния продукт.

„Със сигурност можете да ги видите да се конкурират с литиево-йонни“, казва Армстронг.
Може би най-оригиналният подход към натриевите батерии идва от фирма, наречена Natron Energy. Основателят на компанията Колин Уеселс разработи електроден материал на основата на пигментна Пруско синьо. Тази молекула на основата на желязо има пори, които са много по-големи от натриевия йон, и така може да ги пропуска навътре и навън почти без съпротива, което му осигурява дълъг живот. „По принцип няма механизъм за износване“, казва Джак Поше от Natron. „Показахме 37 000 цикъла практически без край.“

Компанията продава стоките си най-вече на центрове за данни, сървъри, които поддържат интернет. Те се нуждаят от допълнително захранване на батерията по време на пикови нужди от енергия и като застраховка срещу прекъсване на електрическото захранване. За приложения като това тежката батерия не е проблем.
По-конвенционалната технология на натриевите батерии ще се подобри бързо, според прогнозите на Стефано Пасерини от Технологичния институт в Карлсруе в Германия и неговите колеги. Изследователите събраха материалите, необходими за производството на литиево-йонни и натриево-йонни батерии с капацитет от 11,5 киловатчаса, около една трета от необходимото за малка електрическа кола.

След това повториха упражнението, като взеха предвид съвременните прототипи на батерии и очакваха бъдещи разработки. Резултатите предполагат, че можем да намалим с 32 килограма литиевата батерия и с 42 килограма натриевата батерия с този капацитет. Цената на натриевите батерии също ще се понижи бързо.
Те ще станат конкурентни на литиевите батерии до към 2025 г., смята Пасерини.
Не трябва непременно да очакваме натриевите батерии директно да заменят литиевите. Вместо това може да има смисъл да се използват натриеви клетки в определени приложения и така, надяваме се, да се намалят литиевите резерви. Важното е, че можем да съхраняваме електричество от възобновяеми източници, без да разрушаваме планетата си в процеса. Ако искат да помогнат за тази цел, батериите, по един или друг начин, ще се нуждаят от цялостно презареждане.

Източник: New Scientist Magazine
Превод: Радослав Тодоров

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!