So baterije na osnovi bombaža in morske vode naša prihodnost?

ByB.O.

10. novembra, 2023

So baterije na osnovi bombaža in morske vode naša prihodnost?

Edinstveni bankomat na indijski ulici, kljub izpadu elektrike, še naprej deluje s pomočjo inovativne rezervne baterije. Baterija, ki jo je razvilo japonsko podjetje PJP Eye, vsebuje ogljik iz posebej sežganega bombaža.

Inketsu Okina, iz podjetja PJP Eye, je razkril ključne informacije o proizvodnem procesu. Posebnosti tega postopka, zlasti podrobnosti v zvezi s temperaturo, atmosfero in tlakom, ostajajo zaupne. Ti vidiki so strogo varovani, da se ohrani integriteta njihovih metod.

Vendar pa razkriva, da postopek zahteva temperaturo nad 3.000 °C (5 432 °F). Presenetljivo je, da je iz 1 kg bombaža mogoče pridobiti 200 g ogljika, kar zadostuje za 100 baterijskih celic, saj vsaka celica potrebuje le 2 g ogljika. Od pridobitve pošiljke bombaža leta 2017 podjetje ni izčrpalo zaloge.

Podjetje PJP Eye je baterije razvilo v sodelovanju z univerzo Kyushu v Fukuoki na Japonskem. Te baterije uporabljajo ogljik za anodo, ki je ključna sestavina pri izdelavi baterij. Anoda olajša pretok ionov med postopkom polnjenja in posledično sproščanje energije. Medtem ko večina baterij v ta namen uporablja grafit, je uporaba bombažnih odpadkov iz tekstilne industrije podjetja PJP Eye bolj trajnostna alternativa.

Ta inovacija je del širšega gibanja v industriji baterij. Ker se povpraševanje po baterijah povečuje, predvsem zaradi razmaha električnih vozil in velikih sistemov za shranjevanje energije, je opaziti pomemben premik. Raziskovalci se dejavno ukvarjajo s to paradigmo. Hkrati se podjetja ukvarjajo s trajnostnimi nadomestki za prevladujoče litij-ionske in grafitne baterije. Z uporabo lažje dostopnih in okolju prijaznejših materialov želijo revolucionarno spremeniti proizvodnjo baterij za bolj trajnostno prihodnost.

Baterije so sestavljene iz treh glavnih delov: dveh elektrod in elektrolita. Pozitivno nabita elektroda, imenovana katoda, je nasproti negativno nabite anode. Med delovanjem se ioni prek elektrolita premikajo od anode do katode, kar omogoča pretok elektronov skozi priključeno električno vezje.

Okoljski davek pri pridobivanju litija

Pridobivanje litija ima velik vpliv na okolje. Pri tem se porabijo velike količine vode in energije, na pokrajini pa pogosto ostanejo velike brazgotine. Poleg tega se pridobljeni litij običajno prevaža na dolge razdalje za rafiniranje, pogosto v državah, kot je Kitajska. Podobno predstavlja okoljski izziv tudi pridobivanje ali proizvodnja grafita iz fosilnih goriv.

Sam Wilkinson, analitik pri S&P Global Commodity Insights, opozarja na velik ogljični odtis, povezan z rudarjenjem in prevozom baterijskih materialov.

Drug primer: kobalt je ključna sestavina številnih litij-ionskih baterij. Ta element se pridobiva predvsem iz Demokratične republike Kongo. Poročila iz te regije opozarjajo na nevarne delovne pogoje, povezane z njegovim pridobivanjem.

Alternativ za običajne materiale za baterije, od morske vode do bioloških odpadkov in naravnih pigmentov, je v naravi veliko. Izziv je dokazati, da lahko te alternative učinkovito konkurirajo prevladujočim baterijam v našem tehnološko usmerjenem svetu.

Podjetje PJP Eye raziskuje načine za izboljšanje zmogljivosti baterij in hkrati spodbuja okoljsko trajnost. Okina navaja, da ima baterija Cambrian z enojnim ogljikom anodo z večjo površino v primerjavi z grafitom. Ta izboljšava omogoča bistveno hitrejše polnjenje baterije. Dejansko se lahko polni do 10-krat hitreje kot obstoječe litij-ionske baterije.

Baterija uporablja katodo, ki je izdelana iz nerazkritega oksida “navadne kovine”, vključno z možnostmi, kot so baker, svinec, nikelj in cink. Te kovine so dostopnejše in manj reaktivne kot alkalne kovine, kot je litij. Podjetje trenutno razvija baterijo z dvojno ogljikovo elektrodo, ki v celoti temelji na rastlinah. Ta inovativna baterija je rezultat raziskav, opravljenih na univerzi Kyushu. Predvidoma bo izdana leta 2025.

Možnost hitrega polnjenja je še posebej pomembna za električna vozila. Okina omenja sodelovanje podjetja Goccia s podjetjem Hitachi pri e-kolesu, ki ga poganja baterija podjetja PJP Eye in bo na Japonskem predstavljeno v začetku leta 2023. To kolo lahko doseže hitrost 31 milj na uro in z enim polnjenjem prevozi 70 kilometrov.

Rraziskovanje novih elektrolitov za stabilne baterije

Svetovni oceani nudijo ogromno in skoraj neomejeno zalogo materialov za razvoj baterij. Ta pristop ni edinstven. Finska družba Stora Enso na primer uporablja ogljik iz lignina v drevesih za izdelavo baterijskih anod.

Raziskovalci raziskujejo tudi bombaž kot nadomestek za tradicionalne elektrolite, da bi razvili stabilnejše baterije v trdnem stanju. Stefano Passerini, namestnik direktorja inštituta Helmholtz v Ulmu v Nemčiji, poudarja potencial oceanov kot vira baterijskih materialov. S svojo ekipo je razvil baterijo, ki iz morske vode pridobiva natrijeve ione in tako kopiči kovinski natrij. Ta postopek, opisan v članku iz maja 2022, vključuje poseben polimerni elektrolit, ki omogoča prehod natrijevih ionov, morska voda pa deluje kot katoda.

Zanimivo je, da ta baterija nima anode, saj se natrij kopiči v nevtralnem stanju. Passerini predlaga, da se za zbiranje natrija, ki ga je mogoče shraniti do potrebe, uporabi presežek vetrne ali sončne energije. Energijo je nato mogoče obnoviti s preprostim izpustom kovine nazaj v morje.

Vendar je ta metoda povezana s tveganji, zlasti zaradi eksplozivne reakcije natrija z vodo. Da bi se izognili morebitnim nesrečam, je treba preprečiti stik morske vode z natrijem.

Kot alternativo nekateri znanstveniki proučujejo kalcij, ki ga običajno najdemo v kosteh in zobeh, kot varnejši katodni material. Kombinacija kalcija s silicijem bi lahko olajšala prenos kalcijevih ionov v prihodnjih baterijah.

Medtem George John z Univerze v New Yorku raziskuje kinone, biološke pigmente, ki jih najdemo v rastlinah, kot potencialne elektrode v baterijah. Njegova ekipa je opazila obetavne rezultate pri uporabi molekule, pridobljene iz kane, ki se tradicionalno uporablja za tetoviranje. Njihov cilj je ustvariti trajnostno baterijo s premagovanjem izzivov, kot je naravna topnost molekul kane. Z modifikacijo molekul kane in vgradnjo litija so razvili trdnejši, kristaliničen in manj topen material.

Revolucija zdravstvenih naprav z novimi baterijami

Čeprav te inovativne zasnove baterij še niso primerne za napajanje električnih vozil, imajo potencial za manjše aplikacije, kot so nosljive naprave, ki spremljajo zdravstvene kazalnike, na primer raven glukoze v krvi.

Raziskovalci preučujejo inovativne materiale, kot so koruzni odpadki in lupine meloninih semen, za nove elektrode baterij. Glavni izziv je povečati proizvodnjo, da bi zadostili vse večjemu povpraševanju baterijske industrije.

Glavna ovira za alternativne materiale za baterije je zadovoljiti to naraščajoče povpraševanje. Po mnenju Maxa Reida, analitika družbe Wood Mackenzie, bodo na primer sedanje tehnologije, ki temeljijo na litiju in grafitu, do leta 2030 potrebovale približno dva megatona grafita na leto, da bodo lahko sledile rasti industrije, kar je močno povečanje z današnjih 700 kiloton. To trikratno povečanje poudarja, zakaj morajo alternativne rešitve preseči prag visoke učinkovitosti. “Doseganje takšnega obsega za nove materiale bo izjemno zahtevno,” ugotavlja Reid.

Odstop od grafita je povezan z visokimi stroški in velikimi poslovnimi tveganji, opozarja Jill Pestana, raziskovalka baterij in neodvisna svetovalka iz Kalifornije. Pestana je skeptična glede okoljske upravičenosti uporabe bioloških odpadkov za ogljikove anode in poudarja, da lahko viri, kot so slabo upravljani nasadi dreves, škodujejo biotski raznovrstnosti.

Vendar pa prepoznava potencialno prednost na trgih, kjer je trajnost ključna skrb potrošnikov. V takih primerih bi se lahko uveljavile baterije iz odgovorno pridobljenih, okolju prijaznih materialov, vključno s tistimi, ki so pridobljeni iz bioloških odpadkov. “Vpliv javnosti bi lahko bil ključnega pomena pri spodbujanju teh prizadevanj za trajnost,” dodaja Pestana.

Vir

foto: Pexels

Biznis24