Dziś najpopularniejsze litowo-jonowe baterie okazują się niewystarczające, potrzebna jest więc alternatywa. W tej chwili pod uwagę brane są dwie technologie: magnezowo-jonowa oraz cynkowo-jonowa. Prawdopodobnie trzeba będzie na nie poczekać do 2030 r.
Naukowcy, którzy dokonali kluczowych odkryć w dziedzinie litowo-jonowej, otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2019 r. Dziś poszukiwane są nowe technologie. Alternatywy dla akumulatorów litowo-jonowych muszą być tańsze i bardziej wytrzymałe. Dlatego konieczne jest, aby naukowcy zidentyfikowali pierwiastki najlepsze do wykorzystania w elektrodach, a nie tylko wymyślali nowe kształty elektrod.
Muszą oni usunąć lit znajdujący się w lewym górnym rogu układu okresowego i znaleźć dla niego alternatywę. Nie wiadomo jeszcze, czy ostatecznie będzie to magnez, cynk, aluminium, czy może jakiś nieoczekiwany pierwiastek. Wyścig trwa. Biorą w nim udział Stany Zjednoczone, Japonia i Unia Europejska.
Przyszłość w magnezie
W wyścigu Unię reprezentuje Uniwersytet Cambridge, uczelnie techniczne w Danii i Izraelu oraz niemieckie i hiszpańskie organizacje badawcze, które utworzyły Europejską Wspólnotę Interaktywnych Baterii Magnezowych, zwaną E-Magic. Wsparcie finansowe ma dostarczyć UE.
Celem stworzonego konsorcjum jest opracowanie przełomowego naukowo-technicznego podejścia do nowej generacji akumulatorów magnezowych o wysokiej gęstości energetycznej. Mają one być także przyjazne dla środowiska. Pomysł jest taki, by zmieścić tysiąc watów gęstości energetycznej w jednym litrze baterii magnezowo-jonowej – dwa razy więcej niż w przypadku baterii jonowo-litowych, wprowadzonych na rynek w 1991 r. przez firmę Sony.
W tamtych czasach były one przełomowe, oferując użytkownikom znacznie większą pojemność niż akumulatory niklowo-wodorowe i kwasowo-ołowiowe, z których korzystano wtedy powszechnie. Nowy produkt trafił najpierw do walkmanów i laptopów, a potem smartfonów i innych przenośnych urządzeń. Z czasem zaczął zasilać pojazdy elektryczne i znalazł się nawet w samolotach odrzutowych.
Jednak bateria litowo-jonowa jest droga. Kluczowe materiały do jej produkcji, lit i kobalt, można znaleźć tylko w kilku miejscach. Istnieje 16 mln ton potwierdzonych rezerw litu i 7 mln ton kobaltu, ale nie wszystkie mogą być wykorzystane.
W przypadku zasilania technologicznych gadżetów bateria ta nadal się sprawdza. Ponieważ jednak świat zmierza w kierunku czystych źródeł energii i rezygnacji z paliw kopalnych, potrzebna jest tańsza technologia, która równocześnie pozwoli przechowywać znacznie większe ilości energii elektrycznej pochodzącej z OZE. W tej chwili najdroższym elementem takiego systemu jest bateria. Na dodatek ma ona swoje ograniczenia. Producenci upakowali już w niej tyle energii, ile jest w stanie pomieścić ta technologia.
E-Magic wiąże nadzieje z magnezem, którego koszty mogą być niższe od kosztów litu. Ogniwo magnezowo-jonowe wykorzystuje metal magnezu w elektrodzie ujemnej.
Firma twierdzi, że udało jej się powtórzyć cykl ładowania/rozładowania baterii magnezowo-jonowej ponad 500 razy. Związane jest to z tym, że jon magnezu przenosi dwa elektrony podczas swojej wędrówki wewnątrz ogniwa, podczas gdy jony litu tylko jeden. Wielokrotnie naładowane jony pozwalają na wykorzystanie większej ilości elektronów do ładowania i rozładowywania, dzięki czemu mogą osiągnąć dwukrotnie większą pojemność niż ogniwa wykorzystujące jony litu.
E-Magic musi dopracować jeszcze tę technologię. Wciąż ich baterie nie radzą sobie tak dobrze, jak baterie litowo-jonowe. Należy poprawić jakość roztworu elektrolitycznego przenoszącego jony i wymyślić bardziej wydajne materiały elektrodowe.
Także w USA naukowcy z Toyota Research Institute of North America oraz z Uniwersytetu w Houston stawiają na technologię magnezowo-jonową. Opracowali akumulator, w którym w elektrodzie dodatniej zastosowano związek organiczny, a w elektrolicie, w którym poruszają się jony, masę boru. Na razie cykl ładowania akumulatora wynosi zaledwie nieco ponad 200. Jednak naukowcy uważają, że to właściwy kierunek rozwoju wysokowydajnych akumulatorów o wysokiej stabilności.
W trzecim kraju startującym w wyścigu – Japonii, Kiyoshi Kanamura, profesor z Tokyo Metropolitan University, opracował baterię, która wykorzystuje tlenek manganu w elektrodzie dodatniej i metal magnezu w elektrodzie ujemnej.
Cynk dający nadzieję
Nie tylko magnez, również cynk przyciąga uwagę naukowców. Nowy typ baterii cynkowo-jonowej opracowany przez docenta Hiroaki Kobayashi i profesora Itaru Honma z Uniwersytetu Tohoku wykorzystuje jako elektrolit roztwór wodny zamiast rozpuszczalnika organicznego. Celem naukowców jest stworzenie technologii, którą można będzie wykorzystać do przechowywania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Chociaż początkowo pojawiło się ryzyko zapalenia, gdy akumulatory Li-ion pojawiły się po raz pierwszy, dziś jest ono już bardzo niewielkie.
Walka o dominację w dziedzinie akumulatorów multicharged ion to także wyścig, kto stworzy je jako pierwszy. Amerykanie usilnie pracują nad stworzeniem baterii jonowej o wielu ładunkach. Na razie to jednak Japończycy mają przewagę. Trzy dekady temu japońskie firmy rozwinęły rynek akumulatorów litowo-jonowych, ale dziś duże udziały w rynku tych urządzeń mają firmy chińskie i południowokoreańskie.
