Jest sposób na lepsze baterie. Produkowane bez cierpienia ludzi i niszczenia środowiska

Któż nie chciałby ładować smartfona najwyżej raz w tygodniu albo móc przejechać 1200 kilometrów na jednym ładowaniu samochodu elektrycznego? Oczywiście każdy.

Stosowane powszechnie dziś w większości urządzeń ogniwa litowo-jonowe mają pojemność od 150 do 260 watogodzin na kilogram (Wh/kg). Istnieją też ogniwa litowo-siarkowe – i mają znacznie większą pojemność, około 550 watogodzin na kilogram.

Przy tej samej masie bateria litowo-siarkowa starcza na dwa, trzy razy dłużej niż litowo-jonowa. Jest też mniej więcej o połowę tańsza, bo zamiast stosunkowo drogiego kobaltu, stosowanego w bateriach litowo-jonowych, wykorzystywana jest znacznie tańsza siarka.

Lit i siarka są na tyle lekkimi pierwiastkami, że takie ogniwa są również bardzo lekkie – dwa i pół raza lżejsze od najlżejszych litowo-jonowych.

Ciężar tych ostatnich nie jest może problemem w przypadku smartfona (choć każdy wolałby lżejszy niż cięższy), jednak lekkie akumulatory bardzo przydałyby się w samochodach elektrycznych, które są dziś dużo cięższe od spalinowych aut. Przeciętny akumulator elektryka waży od 450 kilogramów wzwyż (czasem osiągając niemal tonę), znacząco zwiększając masę pojazdu.

Problem z łańcuchami (siarki)

Skoro ogniwa litowo-siarkowe mają tyle zalet, to dlaczego więc nigdzie ich jeszcze nie ma? Niestety trapi je zasadnicza wada – dużo krótsza żywotność.

Stosowane dziś powszechnie ogniwa litowo-jonowe mają trwałość około 2 tysięcy cykli ładowania. Litowo-siarkowe mają dużo krótsze życie – około tysiąc cykli ładowania.

Źródłem tego problemu są tworzące się podczas każdego ładowania łańcuchy wielosiarczków litu, które takie baterie po prostu zatykają. Próbowano już wielu sposobów na zwiększenie żywotności takich ogniw, ale każdy miał swoje wady.

Inżynierowie z australijskiego Monash University twierdzą, że znaleźli na to sposób. Opracowali konstrukcję anody (w ogniwach i bateriach to elektroda ujemna), która znacząco wydłuża życie litowo-siarkowych baterii.

Anoda w ich ogniwie jest cienką warstwą litu pokrytą specjalną folią o porach wielkości milionowych części metra. Jak tłumaczą autorzy wynalazku, jony litu mogą przez nie swobodnie przenikać, ale większe jony siarki już nie.

Czy to już czas ogniw litowo-siarkowych?

Czy to oznacza długo oczekiwany przełom i baterie litowo-siarkowe podbiją rynek? Warto zachować wstrzemięźliwość. Nie jest to pierwszy raz, gdy naukowcy w laboratoriach ogłaszają, że udało im się przedłużyć życie takich ogniw.

Ogniwa litowo-siarkowe nie są nowym wynalazkiem. W amerykańskim wniosku patentowym z 1962 roku widnieją znajome nazwiska: Danuta Herbert i Juliusz Ulam. (Tak, to jak najbardziej polski ślad. Danuta Herbert-Ulam, kuzynka poety Zbigniewa Herberta, to żona Juliusza Ulama, inżyniera i wynalazcy – i kuzyna Stanisława Ulama, matematyka i współtwórcy bomby termojądrowej).

Jednak pierwsze ogniwa litowo-siarkowe, które miały żywotność tysiąca cykli ładowania, skonstruowano dopiero w początku lat dwutysięcznych. W 2017 roku udało się osiągnąć trwałość na poziomie 1500 cykli – nadal mniej niż litowo jonowych, ale już blisko. W 2022 roku badacze z Drexel University stwierdzili, że wykorzystując jedną z odmian siarki (jej alotropów), można uzyskać nawet 4000 cykli ładowania.

To dwa razy więcej niż w przypadku ogniw litowo-jonowych. Któż by nie chciał baterii tańszej, lżejszej, bardziej pojemnej i trwalszej… Jednak takich baterii nadal nie ma na rynku. Dlaczego?

Jednym z powodów jest trudność w opracowaniu technologii, która pozwoli na produkcję takich ogniw na masową skalę. To, że coś się udaje w laboratorium, nie oznacza, że łatwo da się wytwarzać w fabryce. Przeskalowanie technologii z wytworzenia kilku prototypów na wytwarzanie setek tysięcy sztuk trwa zresztą dość długo.

Też długo czekały. I doczekały się Nobla

Nie ma w tym czekaniu na postęp nic szczególnie dziwnego. Baterie litowo-jonowe, które są dziś tak powszechne, również długo leżały w laboratoriach chemików i inżynierów, tyle że miały nieco więcej szczęścia.

One także mają swój początek w latach 60. ubiegłego wieku. Upłynęło ćwierć wieku, gdy w połowie lat 80. odkryto, że ich wydajność znacznie poprawia koks naftowy (później zastąpiony grafitem). A kolejna dekada minęła, gdy odkryto, że ich trwałość poprawia węglan etylenu (elektrolit, który jest stały w temperaturze pokojowej).

Dopiero wtedy, z końcem ubiegłego wieku, rozpoczęła się rewolucja, która pozwoliła zasilić smartfony i elektryczne samochody. Za to twórcy tych baterii, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham oraz Akira Yoshino otrzymali nagrodę Nobla z chemii w 2019 roku.

Jeśli uda się zacząć produkować ogniwa litowo-siarkowe na skalę przemysłową, ta rewolucja przyspieszy. Naładowana bateria w smartfonie starczy na trzy dni (kto wie, może i cztery). Baterie elektrycznych pojazdów będzie można odchudzić o połowę i nadal uzyskać dwukrotnie większy zasięg. Będzie można przechować więcej energii słonecznej i wiatrowej – co bardzo by się światu przydało.

Odetchnie też środowisko i ludzie wydobywający kobalt. W bateriach litowo-jonowych niezbędny jest kobalt. Większość wydobywa się w dorzeczu Konga w Afryce.

Rewolucja, niestety nie bezkrwawa

W tropikalnych lasach dorzecza Konga, afrykańskiej Amazonii, żyje ponad tysiąc gatunków ptaków, 700 gatunków ryb i 400 ssaków. Jest unikalnym siedliskiem słoni, hipopotamów, goryli górskich oraz największej populacji szympansów.

Na swoje nieszczęście są to ziemie bardzo bogate w rzadkie i cenne metale – w tym niezbędny do naszych baterii kobalt. Pod kopalnie karczowane są lasy, a zwierzęta tracą swoje naturalne środowisko.

Rozwój wydobycia metali w dorzeczu Konga doprowadził także do krwawych wojen w Rwandzie, Ugandzie, Angoli i najdłuższej, we wschodniej części Demokratycznej Republiki Konga, trwającej od lat 90. ubiegłego wieku i nazywanej „afrykańską wojną światową”.

Toczące się między armiami a partyzantkami walki o dostęp do złóż cennych i rzadkich rud metali pochłonęły (bezpośrednio lub wskutek głodu) ponad 5 milionów ofiar śmiertelnych. Kolejne dwa miliony zostały zmuszone do opuszczenia swoich domów. Dziesiątki tysięcy uchodźców, w tym dzieci, pracują w kopalniach. Część z braku środków do życia, część pod lufą karabinu.

To zbyt często pomijana milczeniem cena wszelkiej współczesnej elektroniki, zwłaszcza zasilanej bateriami.

Ogniwa litowo-siarkowe pozwoliłyby zatrzymać tę przemoc i zniszczenie, bo kobalt jest w nich zbędny. Bardzo by się światu przydały.

Cykl „SOBOTA PRAWDĘ CI POWIE” to propozycja OKO.press na pierwszy dzień weekendu. Znajdziecie tu fact-checkingi (z OKO-wym fałszometrem) zarówno z polityki polskiej, jak i ze świata, bo nie tylko u nas politycy i polityczki kłamią, kręcą, konfabulują. Cofniemy się też w przeszłość, bo kłamstwo towarzyszyło całym dziejom. Rozbrajamy mity i popularne złudzenia krążące po sieci i ludzkich umysłach. I piszemy o błędach poznawczych, które sprawiają, że jesteśmy bezbronni wobec kłamstw. Tylko czy naprawdę jesteśmy? Nad tym też się zastanowimy.