Неудобната тайна на литиево-йонната батерия

Електрическата революция отдавна вече не е предсказание за бъдещето: тя се случва пред очите ни. През 2022 година над 10% от продадените автомобили в световен мащаб бяха с електрическо задвижване. Европейският съюз и някои отделни американски щати планират да забранят двигателя с вътрешно горене от 2035 година, Китай също не е далеч от този път. Развитите държави инвестират рекордни средства в технологии за съхранение на енергията, които да направят възобновяемата енергетика по-надежден източник. Но онова, което никой политик не казва на глас, е, че за да се осъществят, всички тези смели планове разчитат на технологии, които още не съществуват. Електрическата революция е революция на кредит - без радикален технологичен пробив в областта на батериите тя е обречена.
   
    

    
     
Разбира се, днес разполагаме и с много други средства за съхранение на енергията, освен химическите батерии - например физически батерии (водни като ПАВЕЦ Чаира, слънчеви, гравитационни), или пък производство на водород от ВЕИ. Но повечето от тях са огромни, тежки и мъчно подвижни. Транспортният сектор ще трябва да разчита на химически батерии.

Има само един проблем: доминиращата технология в тази област е отпреди почти половин век. И по начало не е измислена за употреба в автомобили, камиони или самолети.
   
   

Бащите на литиево-йонната батерия: Стан Уитингъм, Джон Гудинъф, Акира Йошино
   
     
Идеята за литиево-йонна батерия се появява с петролната криза в началото на 70-те. Рязкото поскъпване на горивата възражда идеите за електрическо задвижване, погребани още в зората на ХХ век. Но съществуващите оловно-киселинни акумулатори не са в състояние да го поддържат. Петролните и химическите гиганти започват да търсят алтернативи. Един млад химик, на име Стан Уитингъм, започва да експериментира с анод от метален литий, и катод от титаниев дисулфид. Регистриран е патент, показан е и работещ прототип на автосалона в Детройт. Но после петролната криза отшумява и Exxon решава, че инвестициите в нови батерии няма да се изплатят.

Батерията на Уитингъм е несравнимо по-добра от оловно-цинковите, но има и недостатъци - сравнително ниска скорост на зареждане и висок риск от възпламеняване. Джон Гудинъф, професор от Тексаския университет, решава първия проблем, като заменя титаниевия дисулфид с кобалтов оксид в катода. Колегата му от университета "Мейджо" Акира Йошино решава втория, като използва кокс за анода и намалява значително риска от пожар. От труда на тези трима души се ражда първата "съвременна" литиево-йонна батерия за масова употреба, въведена от Sony през 1992. А през 2019 Уитингъм, Гудинъф и Йошино поделиха Нобеловата награда за химия.
   
     

Самозапалващите се батерии нашумяха покрай някои модели мобилни телефони, но подобен риск грози и електромобилите. Няколко от технологиите, които се разработват в момента, обещават да неутрализират опасността
   
    
Но литиево-йонната батерия, която върши толкова добра работа в телефоните и лаптопите ни, не е съвсем подходяща за автомобили. Енергийната й плътност не стига, за да осигури нужния автономен преход от няколкостотин километра - за да се постигне това, батериите в колите трябва да са огромни. И съответно - много тежки. Един съвременен електромобил тежи средно с 350-400 кг повече от аналога си с двигател с вътрешно горене. Това поражда всевъзможни усложнения. Нужни са например специални (и отчетливо по-скъпи) гуми, които да издържат на натоварването. Наскоро Британската асоциация на паркингите предупреди, че много от по-старите многоетажни паркинги в страната са разчетени при доста по-ниско тегло на автомобилите и могат да рухнат под тежестта на електромобилите. Но най-същественият проблем с високото тегло е, че то увеличава разхода на енергия - значително. Един електромобил с обхват над 400 км с едно зареждане обикновено се нуждае от между 22 и 30 киловатчаса енергия, за да измине 100 км. Това все пак е по-ефективно от колите с ДВГ (превърнат в квтч, разходът на един бензинов автомобил е около 65-70 за 100 км/ч, на дизелов - около 60 квтч, на пропан-бутан - около 38 квтч). Но е недостатъчно за постигане на екологичните цели, в името на които електромобилите се налагат на пазара.
     
       

Цените на конвенционални и електрически автомобили започнаха да се доближават напоследък, но не заради поевтиняването на вторите, а заради изкуствено наложеното поскъпване на първите
       
         
Вторият, още по-съществен проблем на литиево-йонните батерии, е цената им. Очакванията бяха, че с все по-масовото производство на батерии цената им ще върви надолу заради икономии от мащаба. Това се случваше между 2010 и 2020, когато цената падна от над 1200 долара до едва около 130 долара за киловатчас. Но след това започна обратният процес: с растящото търсене на батерии суровините за тях взеха да поскъпват неудържимо.
Никелът, който се търгуваше около 11 000 долара за тон преди три години, сега е 23 200 долара, а в един момент надхвърляше 33 000 долара. Кобалтът поскъпна от от 22 000 долара през 2016 до около 49 000 долара в началото на април 2023. Медта - незаменима суровина за електрическите системи - скочи от 5000 до около 9000 долара за тон (това е и единственият от т. нар. "метали на зеления преход", с който разполага България). И това е само плахото начало, когато само един от 10 нови автомобила е електрически. Представете си ефекта, когато станат пет от 10, или 10 от 10. Тогава вече въпросът няма да е само в цената. Неслучайно Илон Мъск нарече никела "новото злато". А Карлос Тавареш, главният изпълнителен директор на гиганта Stеllantis, наскоро подчерта, че ако всичките около 1.3 милиарда автомобила на планетата бъдат заменени с електрически, литият просто няма да стигне.
     
      

Добив на литий в Америка
     
     
Тъкмо затова електрическият преход в транспорта е революция "на кредит". Той е планиран, разчитайки на бъдещи открития, които да променят сегашната химия на батериите, и да ги направят едновременно по-леки, по-ефективни, по-евтини и по-безопасни. Такъв залог не е непременно грешен: развитието на технологиите многократно е доказвало, че когато има икономическа мотивация, нови решения се намират. В момента се разработват над 20 различни нови технологии за батерии - някои само вариации на съществуващите, други - радикално различни. Само времето ще покаже коя ще успее да се наложи - или може би победителите ще са различни за различните типове употреба.

Преди да се спрем в повече детайли на алтернативите, може би трябва да напомним какво представлява литиево-йонната батерия. Немалко хора си представят, че при зареждане просто "сипваме" електричество в батерията като вода в туба. Но батерията не съхранява пряко електричество, а само го произвежда при нужда чрез химична реакция между двата електрода и разделящата ги среда, наречена електролит. Когато включите литиево-йонната батерия към някакъв уред (или когато активирате електромобила си), литиеви йони преминават от анода към катода, отдавайки електрони и създавайки заряд. Когато зареждате батерията, йоните се връщат от катода към анода.
  
  
10 технологии за батериите на бъдещето (ГАЛЕРИЯ):

7 от 10 | 10 технологии за батериите на бъдещето

Литиево-метални батерии
Това е на практика връщане към корените и идеите на Стан Уитингъм. Тук анодът, вместо от графит, се прави от литий в метална форма. Това повишава чувствително капацитета - средно с 50% над този на класическата литиево-йонна батерия с графитов анод. Но остава проблемът със свръхреактивността на лития, която може да доведе до самозапалване или до твърде кратък живот на батерията. Компании като Quantumscape и Solid Power работят върху решения на този проблем, и първата вече си осигури голям договор с Volkswagen.
Впрочем вече от на десетилетие на пазара има литиево-метална батерия с твърд електролит, разработена от френската Bollore за нейния малък електромобил Bluecar (на снимката). Но при нея полимерният електролит функционира добре само при високи температури, което ограничава ефективността.

* Статията е публикувана в Bulgaria ON AIR THE INFLIGHT MAGAZINE, брой 04 / 2023