Baterie jutra

Po pierwsze trzeba odpowiedzieć na z pozoru banalne pytanie: dlaczego akurat prąd? Powodów jest wiele. Pierwszym z nich jest właśnie łatwość magazynowania. Wyobraźmy sobie równie skuteczne źródło energii będącej przykładowo efektem spalania. Zasilane benzynowym silnikiem telefon, pralka, komputer – to przecież niemożliwe!

Od razu na myśl nasuwa się kolejna zaleta prądu: jest czysty. Przebywając w okolicach działającego urządzenia akumulatorowego, nie musimy wdychać spalin czy przelewać benzyny. Nie ma również hałasu. Niestety obecnie baterie są o wiele mniej wydajne niż węgiel czy olej napędowy, jeśli chodzi o ilość przechowywanej energii – naukowcy mają więc nad czym pracować. Najprawdopodobniej bowiem elektryczność będzie nam towarzyszyła na każdym kroku jeszcze przez długie dziesięciolecia. Pytanie tylko, jak skuteczniej ją magazynować.

Za powstanie pierwszego ogniwa elektrycznego w roku 1799 odpowiedzialny jest Alessandro Volta. Akumulator wielokrotnego użytku wynalazł natomiast Gaston Plante – poprzednie wersje baterii po rozładowaniu stawały się bezużyteczne. Wynalazek Plantego był zbudowany z ołowiu i kwasu i w tej formie znamy go właściwie do dziś. Rok 1989 przyniósł prawdziwą rewolucję: akumulatory niklowe, które zasilały pierwsze bezprzewodowe narzędzia ręczne, a później także pierwsze samochody o napędzie hybrydowym. Problemem tego rodzaju baterii jest efekt pamięci i związana z nim nieco kłopotliwa higiena użytkowania – jeśli nie rozładowujemy akumulatora do końca przed ładowaniem, to jego pojemność pozornie się zmniejsza i występują „skokowe” spadki napięcia podczas używania. Innym rodzajem zbiornika energii, z którego korzystamy na co dzień, są akumulatory litowo-polimerowe, stosowane na przykład w laptopach czy telefonach. Ten rodzaj baterii jest jednak drogi w produkcji, dlatego stosuje się go raczej w sprzęcie wyższej klasy.

Mimo rozwoju technologii gęstość energii w bateriach litowo-jonowych jest mniejsza niż choćby w drewnie opałowym. Obecnie największą gęstość energii ma sprężony wodór, a największa wydajność objętościowa cechuje olej napędowy.

Co jednak najważniejsze, zapotrzebowanie na energię elektryczną rośnie szybko. Już w roku 2015 rynek e-samochodów przegonił pod względem wartości rynki komputerów czy telefonów. Wprawdzie dziś nie rejestruje się dużego zapotrzebowania na prąd do zasilania samochodów na baterie, ale zgodnie z szacunkami organizacji Bloomberg New Energy Finance do roku 2025 świat będzie potrzebował rocznie około 100, a do 2040 już aż 1900 TWh (terawatogodzin)! Dla porównania rekordowe chwilowe zużycie energii w Polsce to ponad 26 000 MW – to oznacza, że roczne zapotrzebowanie akumulatorów samochodowych za parędziesiąt lat byłoby w stanie zasilać nasz kraj przez 10 lat.

Baterie o niewielkich gabarytach też zyskują coraz większą wartość na rynku. Od końca XX wieku bardzo dynamicznie rozwija się technologia baterii litowo-jonowych, obecnie stanowiących około połowy wszystkich małych akumulatorów wchodzących do obrotu. Ich konkurencja, baterie niklowo-wodorkowe i niklowo-kadmowe, w tym samym czasie straciła swój udział, stając się raczej środkiem zasilania zabawek i narzędzi ręcznych. Liczba baterii litowo-jonowych nieustannie rośnie wraz ze wzrostem liczby produkowanych telefonów i komputerów przenośnych – w latach 90. ubiegłego wieku sprzedano ich niespełna 0,1 miliarda sztuk, a w roku 2015 już ponad 4 miliardy.

Niestety technologia litowo-jonowa niemal osiągnęła granicę swych możliwości i tego rodzaju akumulatory – mimo wielu zalet – nie wystarczą nam na długo. Nie ulega więc wątpliwości, że albo stworzymy coś lepszego, albo przejdziemy na zupełnie inne źródło energii. Zobaczmy, jak może to wyglądać.

Informacje o smartfonach stających w płomieniach nikogo już nie dziwią. Niestety, taka jest natura współczesnych baterii – zawierają łatwopalne ciecze i mogą wywołać pożar. Na ten problem postanowił zareagować naukowiec z Uniwersytetu Stanforda, Yi Cui. Stworzył on dodatek do akumulatora, dzięki któremu w razie zapłonu uwalniany jest czynnik gaśniczy: fosforan trifenylu umieszczony we włóknach ścianek oddzielających elektrody. Działanie jest bardzo szybkie i skuteczne (potrzeba około 0,4 sekundy na ugaszenie płomieni). Nasuwa się jednak pytanie – jak długo jeszcze będziemy korzystali z łatwopalnych baterii i czy technologia gaśnicza zdąży się porządnie rozwinąć?

Za sprawą Samsunga już w 2021 roku mają pojawić się ulepszone cylindryczne baterie litowo-jonowe zwane popularnie 21 700. Ten sam rodzaj akumulatora produkowany będzie również z megafabryce Tesli we współpracy z Panasonikiem. Zgodnie z doniesieniami pochodzącymi z rozmaitych źródeł masa baterii ma się zmniejszyć o 10 proc., a koszt produkcji o 30 proc. – pytanie tylko, na jak długo to wystarczy.

Firmy takie jak Samsung, Sony czy Toshiba usiłowały już wielokrotnie sięgnąć po energię zmagazynowaną w alkoholu metylowym. Dokładnie tak – ich nowoczesne baterie miałyby generować prąd poprzez spalanie metanolu. Wielokrotnie już prezentowano efekty prac badawczych na licznych pokazach technologicznych, choć widownia złożona z przeciętnych użytkowników telefonów i laptopów nie była zachwycona. Dlaczego?

Pomysł wykorzystania alkoholu może być nieco dziwny dla użytkowników. Taką baterię trzeba „tankować”, więc musi mieć bak, pompę oraz przetwornicę. Metanol jest dla człowieka trujący, więc trzeba go pakować w szczelne pojemniki. Do tego wszystkiego masa tych naprawdę skutecznie działających baterii alkoholowych – 3,5-kilogramowy akumulator Samsunga zapewnia 1800 W – jest jak na codzienny użytek zbyt duża.

Ale czy ktokolwiek po długich latach badań i prezentacji używa dziś takiej baterii? Mimo wielu zalet nie widuje się ich na co dzień… Technologia ta spotkała się z większym zainteresowaniem w sektorze militarnym. Tu największą zaletą jest bardzo krótki czas ładowania (czyli – uzupełniania zapasu płynu) i bardzo duża wydajność.

Naukowcy z firmy Dyson stworzyli „porcelanową baterię”. W miejscu typowego elektrolitu pojawiło się ciało stałe, które w przeciwieństwie do współczesnych baterii jest niepalne i nie ulega degradacji wraz z użytkowaniem. Ilość energii na jednostkę objętości jest w ceramicznej baterii dwukrotnie większa niż w przypadku klasycznej baterii litowo-jonowej. Taka wydajność jest możliwa, ponieważ w ceramicznym wnętrzu zatopiony jest czysty metaliczny lit. Wraz ze wzrostem temperatury działanie takiego zbiornika energii polepsza się, więc nie ma potrzeby dodatkowego chłodzenia.

Niestety zastosowanie ceramiki powoduje znaczny wzrost masy. Ponadto by można zacząć stosować takie baterie w codziennym życiu, projektanci będą musieli dopracować ich wytrzymałość na wstrząsy: obecnie bardzo łatwo o zniszczenie cienkich kamiennych płytek.

Kolejne rozwiązanie problemów niewielkich baterii przeznaczonych głównie do telefonów pojawiło się na Uniwersytecie Stanowym Kalifornii. Tamtejszy profesor, Cody Friesen, opracował akumulator, w którym rolę elektrolitu pełnią ciecze jonowe, które nie parują i są bardziej stabilne chemicznie. Oczywiście są przewodnikami prądu elektrycznego. Trudność jednak tkwi w znalezieniu sposobu na tanią ich produkcję. Zalety tego rozwiązania są na tyle duże, że warto się o nie postarać – dlatego na przedsięwzięcie przeznaczono grant w wysokości 5,13 miliona dolarów!

Pojemność baterii z cieczą jonową ma być około 11 razy większa niż litowo-jonowych. Ponadto dzięki większej stabilności chemicznej można będzie wykorzystać metale o większej gęstości energetycznej niż stosowany do dzisiaj cynk. Jak ocenia Friesen, jego bateria będzie zapewniała od 900 do 1600 watogodzin na kilogram masy, a więc nawet dziesięć razy więcej niż obecnie stosowane ogniwa.

Na Uniwersytecie Centralnej Florydy naukowcy sięgnęli po naprawdę zaawansowane technologie. Efekty są porażające: aż dwudziestokrotnie większa trwałość baterii w stosunku do litowo-jonowych, a co najważniejsze – bardzo zredukowana masa i szybkie ładowanie. Wykorzystano superkondensatory: znane od dawna, ale dotychczas niedoceniane. Cechuje je bardzo szybki czas ładowania i bardzo duża pojemność elektryczna. Wprawdzie gęstość energii jest w ich przypadku o rząd wielkości niższa niż w bateriach klasycznych, ale czas ładowania zamiast w godzinach liczy się w sekundach.

Superkondensatory przechowują energię statyczną na powierzchni materiału zamiast w katodzie i anodzie. Dlatego konstrukcja nowej superbaterii ma być raczej płaska – im większa powierzchnia, tym więcej prądu. Konieczne było też zastosowanie ultracienkich materiałów, więc sięgnięto po rekordzistę: grafen, którego budowa umożliwia wykorzystanie jednej warstwy atomów. Niestety połączenie go z superkondensatorami okazało się trudne, więc bateria przyjęła formę rurek o mikroskopijnym przekroju, owiniętych metalowymi półprzewodnikami o grubości paru atomów. Dzięki temu prąd bez przeszkód przenika z rdzenia do ujścia.

Ostatnio, gdy naukowcy pochwalili się pierwszymi bateriami tego rodzaju, miały one postać niewielkiego kwadratowego płatka. To jednak nie jedyne wykorzystanie grafenu w świecie magazynów energii: naukowcy pracujący dla Samsunga opatentowali niedawno nowy rodzaj baterii przeznaczonej do laptopów i smartfonów.

ieszczana wewnątrz akumulatorów nowej generacji, ma zapewniać nie tylko krótszy czas ładowania, ale również większą żywotność baterii. Mówi się o pięciokrotnie szybszym ładowaniu, co w praktyce oznacza, że przeciętny smartfon będzie w pełni „zatankowany” po kilkunastu minutach od podłączenia do gniazdka.

Jak widać, możliwości rozwoju baterii jest wiele i dużo się w ten rozwój inwestuje. Ma to zapewnić bogatą w energię przyszłość – ale nie tylko z samochodami i telefonami. Magazynowanie energii to o wiele bardziej znacząca kwestia, która odbije się na globalnej gospodarce energią. Dziś wiadomo, że już za parędziesiąt lat produkcja prądu będzie się opierała głównie na odnawialnych źródłach. To po prostu konieczne, zarówno ze względu na kończące się zasoby nieodnawialne, jak i powstające szkody w środowisku naturalnym.

Jednym z poważniejszych problemów związanych z produkcją energii wiatrowej czy słonecznej jest brak regularności. Jednego dnia wiatr wieje mocniej i odnotowuje się nadwyżki, innego zaś powietrze stoi w miejscu i trzeba się posiłkować elektrownią wykorzystującą węgiel czy gaz. Tak samo wygląda kwestia energii słonecznej. Dlatego w przyszłości baterie będą bardzo ważnym elementem codziennego życia, posłużą bowiem jako magazyny na nadprogramową energię produkowaną lokalnie.

Już dziś prowadzi się eksperymenty z centralnymi akumulatorami, które zbierają energię wytworzoną przez mieszkańców danego obszaru. Domy wyposażone w ogniwa fotowoltaiczne są połączone siecią, w której centrum znajduje się duża bateria. Wszyscy ją ładują, a także mają do niej dostęp w razie braków w bieżącej produkcji prądu.

Testy prowadzone są na przykład w Nowym Jorku, gdzie 50 domów połączono testową siecią. Stworzono tam tak zwany „blockchain”, czyli łańcuch bloków, umożliwiający wirtualny handel energią bezpośrednio pomiędzy poszczególnymi użytkownikami. Specjalna baza danych odnotowuje produkcję i zużycie w poszczególnych domach. W ten sposób domy, które mają niedobory prądu, mogą „zakupić” go od sąsiada, by później oddać mu dług w podobny sposób.

Jak twierdzi wielu naukowców, takie podejście pozwala na uniezależnienie się od nieodnawialnych surowców.

Spółka Renewable Energy Dynamics Technology otrzymała niedawno 3,6 miliona funtów na opracowanie baterii wykorzystujących wanad. Plany zakładają, że takie ogniwa znajdą się w elektrowni wiatrowej na wyspie Gigha. Ten sam pierwiastek będzie wykorzystany przez producenta zegarków Swatch. Ma to doprowadzić do zwiększenia pojemności akumulatorów o około 30 proc. Najważniejsze jest jednak to, że wanad jest łatwy do pozyskania z natury i bez większych problemów podlega recyklingowi – czego o współczesnych bateriach nie można powiedzieć.

Na całkiem odmienny pomysł wpadli naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, którzy rozpoczęli projekt Fluidic Energy i stworzyli nowy rodzaj baterii służących jako bufor w sieciach elektrycznych. Zamiast przechowywać ciężki utleniacz we wnętrzu baterii postanowiono przepchnąć przez nią… powietrze atmosferyczne. Osiągi takich baterii są imponujące: gęstość energii jest do 10 razy większa w stosunku do klasycznej baterii litowo-jonowej. Niestety, tego rodzaju magazyny szybko ulegają degradacji i liczba cykli ładowania jest mocno ograniczona. Trzeba pamiętać, że to nowy wynalazek – naukowcy wiążą z nim spore nadzieje.

Mówiąc o bateriach, warto wspomnieć o produkcji i recyklingu. Niestety odejście od nieodnawialnych źródeł energii niekoniecznie wiąże się z rezygnacją z wydobycia drogocennych surowców czy wyzysku pracowników w krajach dysponujących dobrami naturalnymi. Trzeba pamiętać, że do budowy samych baterii potrzebne są bardzo wartościowe materiały: na przykład kobalt osiąga cenę 27 tysięcy dolarów za tonę, a grafit – około 10 tysięcy za tonę. Większość grafitu na światowym rynku pochodzi z Chin, a głównymi wydobywcami litu są Argentyna, Chile i Boliwia. Tymczasem znaczną część kobaltu wydobywa się w Demokratycznej Republice Konga. Jak widać, już dziś są to miejsca, w których nie trudno o wyzysk pracowników lub konflikty. Miejmy tylko nadzieję, że te materiały nie staną się następcami ropy naftowej, kiedy zapotrzebowanie na nie gwałtownie wzrośnie. I oby ludzie pokroju Elona Muska zawczasu opracowali metody recyklingu zużytych baterii, bo w przeciwnym razie utoniemy w zużytych cudach technologii, tak jak obecnie duszą nas spaliny.

Elon Musk znany z genialnych pomysłów jest między innymi odpowiedzialny za stworzenie dachu solarnego, który może zaspokoić zapotrzebowanie na energię domowników. Na nadwyżki produkcji prądu też ma sposób: montowany na ścianie domu Powerwall 2. Ważący około 110 kg magazyn energii gwarantuje ciągły dopływ mocy rzędu 5 kW i jest w stanie przechować około 14 kWh. To właśnie do niego przekierujemy nadmiar energii w słoneczne dni, by skorzystać z nich, kiedy na niebie pojawią się chmury.

Proces powstawania prądu można wytłumaczyć w prosty sposób na przykładzie akumulatora siarkowo-ołowiowego. Katoda jest w nim wykonana z tlenku ołowiu, a anoda z ołowiu. Między nimi znajduje się roztwór kwasu siarkowego oraz izolacja, która nie dopuszcza do bezpośredniego kontaktu między elektrodami. Kiedy zaczynamy pobierać prąd z akumulatora, anoda ulega utlenieniu – powstaje nadwyżka w postaci dwóch „wolnych” elektronów, które przedostają się przez elektrolit i biorą udział w reakcji redukcji katody. Dzięki tej reakcji powstaje różnica potencjałów (czyli nierównowaga w liczbie elektronów między katodą i anodą), która stanowi napięcie baterii. Po zamknięciu obwodu powstaje prąd – czyli uporządkowany ruch elektronów, dążących do wyrównania napięcia między katodą i anodą. W różnych rodzajach baterii katody, anody i elektrolity są zbudowane z rozmaitych materiałów. Na przykład w baterii litowo-jonowej jest to porowaty węgiel (katoda), tlenek litu (anoda) oraz roztwór soli litu (elektrolit).

Dżul – miara energii. Jeden dżul (J) to siła jednego kilograma przyłożona na metr kwadratowy. Na pojęciu dżula opiera się większość miar energii, jak na przykład wat (W).
Kulomb – ładunek będący wielokrotnością ładunku pojedynczego elektronu. Kulomb to podstawowa jednostka określająca ładunek, ale nie używa się jej w kontekście baterii.
Amper – miara prądu elektrycznego, oznaczająca ładunek elektryczny przepływający w czasie. Jest to kulomb na sekundę (A=C/s)
Wolt – miara napięcia elektrycznego, czyli różnicy potencjałów elektrycznych między dwoma wybranymi punktami. W przypadku baterii chodzi oczywiście o bieguny: dodatni i ujemny. Jeden wolt (V) to napięcie, przy którym między biegunami przepływa prąd o natężeniu jednego ampera, a moc wynosi jeden wat (W).
Moc baterii – mówi, jak szybko można wydostać prąd zawarty w baterii. Wyrażona jest w watach (W), czyli dżulach na sekundę.
Energia baterii – inaczej pojemność baterii, czyli ilość prądu, która może się w niej zmieścić. Wyrażona najczęściej w miliamperogodzinach (mAh). Jedna mAh oznacza, że przez godzinę bateria może dostarczać jedną tysięczną ampera prądu.
Gęstość energii – oznacza ilość energii zawartej w określonej masie lub objętości. To ważny współczynnik, jeśli chodzi o baterie przeznaczone do niewielkich urządzeń! Wyraża się w dżulach na kilogram (J/kg).
Trwałość baterii – inaczej nazywana żywotnością baterii. Najczęściej wyraża się w liczbie cykli ładowania, po których zauważalny jest spadek pojemności. W przypadku wielu baterii trwałość zależy od „higieny” użytkowania.
Temperatura pracy baterii – optymalna temperatura, w której bateria osiąga największą żywotność. Użytkowanie w temperaturze o 8 stopni wyższej od optymalnej powoduje zmniejszenie przewidywanej żywotności o 50 proc. Korzystanie z baterii w niskich temperaturach powoduje mniejszy spadek żywotności.