Litijum-jonske baterije decenijama su predstavljale standard bez kojeg je bilo gotovo nemoguće zamisliti savremenu tehnologiju. Napajaju telefone, laptopove, električne automobile, dronove i sve veći broj sistema za skladištenje energije. Njihov razvoj trajao je godinama, a kroz brojne modifikacije povećavana je gustina energije i poboljšavane su performanse.
Međutim, stručnjaci sve češće upozoravaju da se ova tehnologija približava granicama svojih mogućnosti. Nakon dugog perioda dominacije, čini se da dalja poboljšanja postaju sve manja i teže ostvariva. Istovremeno, potreba za baterijama raste brže nego ikada ranije.
Prema procjenama, oko 30% automobila prodatih tokom 2026. godine biće električna vozila, dok se istovremeno ubrzano šire veliki sistemi za skladištenje energije u domaćinstvima i industriji. Samo prošle godine američka domaćinstva i kompanije instalirali su rekordan broj velikih baterijskih sistema, a konsultantska kompanija Wood Mackenzie procjenjuje da bi njihove instalacije do kraja decenije mogle porasti za gotovo 40%.
U takvim okolnostima pitanje više nije da li će se pojaviti nova generacija baterija, već koja tehnologija će prva uspjeti da preuzme vodeću poziciju.
Baterije sa čvrstim elektrolitom kao glavni kandidat
Među tehnologijama koje se najčešće pominju kao potencijalni nasljednici litijum-jonskih baterija izdvajaju se baterije sa čvrstim elektrolitom (solid-state).
Kod današnjih litijum-jonskih baterija joni litijuma tokom punjenja i pražnjenja putuju između katode i anode kroz tečni elektrolit. Problem je što su ti elektroliti najčešće organski rastvarači koji su zapaljivi i mogu predstavljati sigurnosni rizik.
Solid-state baterije rade drugačije. Umjesto tečnosti, njihove komponente sabijene su u čvrste slojeve. Takva konstrukcija omogućava da se u isti prostor smjesti više aktivnog materijala, što može značajno povećati kapacitet.
Dok današnje baterije sa tečnim elektrolitima dostižu približno 300 vat-časova po kilogramu (Wh/kg), solid-state baterije mogle bi dostići i oko 500 Wh/kg. Uz to, znatno je manja vjerovatnoća da će doći do zapaljenja ili drugih sigurnosnih problema. Ipak, put od laboratorije do masovne proizvodnje pokazao se mnogo složenijim nego što se očekivalo.
Problem koji se ne vidi golim okom
Naučnici proučavaju solid-state baterije već decenijama, ali do sada su uglavnom uspijevali da naprave samo male verzije namijenjene specijalizovanim uređajima, poput medicinskih implantata.
Jedna od najvećih prepreka jeste njihova krhkost. Tokom punjenja i pražnjenja baterija se neprestano širi i skuplja. Joni ulaze u materijal elektroda i izlaze iz njega, stvarajući sitne praznine između slojeva. Vremenom te promjene mogu izazvati pukotine i deformacije koje usporavaju kretanje jona i smanjuju efikasnost baterije.
Istraživači iz Instituta za napredne tehnologije u Šendženu, koji djeluje u okviru Kineske akademije nauka, početkom ove godine predstavili su rješenje koje bi moglo pomoći u prevazilaženju tog problema. Njihov pristup zasnovan je na kombinovanju vrlo tankih slojeva keramike i polimera.
Keramika odlično provodi jone, ali lako puca. Polimer je fleksibilan, ali mnogo slabiji provodnik. Kombinacijom ova dva materijala istraživači su uspjeli da stvore strukturu koja omogućava gotovo jednako efikasan prolaz jona kao kod najboljih postojećih elektrolita, ali uz znatno manju vjerovatnoću pucanja.
Dendriti – sitni kristali sa velikim posljedicama
Postoji još jedan problem koji već dugo prati razvoj baterija. Na površini elektroda mogu se razviti tanke kristalne strukture poznate kao dendriti. Vremenom oni mogu dovesti do pukotina, kratkih spojeva i ozbiljnih kvarova.
Godinama se smatralo da dendriti nastaju zbog nakupljanja viška litijumskih jona na površini anode. Međutim, istraživanje koje su u martu objavili naučnici predvođeni timom sa Instituta za Tehnologiju iz Masačusetsa (Massachusetts Institute of Technology (MIT)) sugeriše drugačije objašnjenje.
Prema njihovim rezultatima, problem možda nije samo u mehaničkom pritisku, već i u hemijskim reakcijama koje mijenjaju osobine elektroda i postepeno ih slabe. To znači da buduće baterije neće zavisiti samo od čvršćih materijala, već i od njihove dugoročne hemijske stabilnosti.
Brže kretanje jona
Naučnici istovremeno pokušavaju povećati i brzinu rada baterija. Istraživači iz Nacionalne laboratorije Oak Ridge, u američkoj saveznoj državi Tenesi, razvili su pristup koji koristi jedinjenja poznata kao cviterjoni.
Iako su to elektro-neutralni molekuli, posjeduju područja sa električnim nabojem koja mogu ubrzati kretanje jona kroz bateriju. Rezultati istraživanja sugerišu da bi se na taj način brzina kretanja jona kroz elektrolit mogla povećati čak do deset milijardi puta u odnosu na postojeće sisteme.
Praktična ispitivanja tek treba da pokažu koliko će takva rješenja biti efikasna u realnim uslovima.
Natrijum kao moguća alternativa litijumu
Još jedna važna prednost čvrstostalnih sistema jeste mogućnost korišćenja drugih materijala osim litijuma. Posebnu pažnju privlače natrijum-jonske baterije. Natrijuma u Zemljinoj kori ima oko hiljadu puta više nego litijuma, a pritom je jeftiniji i stabilniji.
Međutim, natrijum ima svoje nedostatke. Njegovi atomi su veći i teži od litijumskih, pa ih je teže smjestiti u standardne grafitne elektrode. Zbog toga su sadašnje natrijum-jonske baterije uglavnom teže i skladište manje energije. Naučnici vjeruju da bi čvrsti elektroliti mogli riješiti i taj problem.
Procjene pokazuju da bi natrijumske metalne anode mogle povećati gustinu energije sa sadašnjih približno 175 Wh/kg na gotovo 500 Wh/kg.
Neki istraživači otišli su i korak dalje – eksperimentišu sa baterijama bez anoda. Ideja je da se prostor predviđen za anodu iskoristi za veću količinu natrijuma u katodi, čime bi se dodatno povećao kapacitet.
Nova trka u industriji baterija
Promjene ne pogađaju samo tehnologiju već i način proizvodnje. Današnje baterije proizvode se korišćenjem velikih količina rastvarača i visokih temperatura potrebnih za sušenje komponenti. Zbog toga se sve više pažnje usmjerava na takozvanu proizvodnju sa suvim elektrodama, gdje se suvi materijali sabijaju pod pritiskom.
Dosadašnja ispitivanja pokazuju da bi takav pristup mogao prepoloviti potrošnju energije u proizvodnji i smanjiti troškove za približno 20%, uz istovremeno poboljšanje performansi.
Tesla, LG Energy Solution i brojne druge kompanije već ulažu značajne resurse u razvoj takvih sistema.
U isto vrijeme, veliki proizvođači postavljaju konkretne rokove. Kineski CATL, najveći svjetski proizvođač baterija, najavio je proizvodnju solid-state baterija do 2027. godine i planira predstavljanje prvog električnog vozila sa natrijum-jonskom baterijom. Slične planove saopštili su Samsung i Toyota, dok je Ford pokrenuo vlastitu jedinicu za proizvodnju baterija za velike industrijske sisteme i data centre.
Granica između ambicioznih najava i stvarnosti često je nejasna, posebno kada je riječ o tehnologijama koje obećavaju velike promjene. Ipak, ono što se danas dešava u industriji baterija pokazuje da se više ne govori samo o teorijskim mogućnostima.
Nakon decenija dominacije litijum-jonskih baterija, tržište bi moglo ući u period najvećih promjena od njihovog nastanka.
Jasmin Murić
Naslovna fotorafija: Munro&Associates
