Chińscy naukowcy przekształcają złożoną chemię siarki w zaletę: ekonomiczną i stabilną baterię po 1400 cyklach.
- Siarka jako główny składnik, a nie tylko magazyn.
- Niekonwencjonalna chemia, duża liczba elektronów.
- Tanie i łatwo dostępne materiały, bez litu i kobaltu.
- Bardzo wysoka gęstość energii, przynajmniej w laboratorium.
- Nowa droga dla baterii stacjonarnych, ultra niskie koszty.
Od lat siarka jest powracającym obietnicą w świecie baterii. Pojawia się wielokrotnie w artykułach naukowych, prawie zawsze w połączeniu z litem, jako sposób na zwiększenie gęstości energetycznej przy jednoczesnym obniżeniu kosztów. Problem jest znany: jej kapryśna chemia. Siarka reaguje, przekształca się, generuje niepożądane związki pośrednie i ostatecznie przedwcześnie degraduje baterię. Dlatego pomimo dziesięcioleci badań baterie litowo-siarkowe pozostają bardziej oczekiwaniem niż rzeczywistością komercyjną.
Ciekawy zwrot nastąpił teraz dzięki zespołowi chińskich naukowców, którzy postanowili przestać walczyć z tą chemiczną złożonością i wykorzystać ją. Zamiast wykorzystywać siarkę jako pasywny materiał magazynujący, przekształcają ją w aktywnego dawcę elektronów w baterii sodowo-siarkowej, w której kluczową rolę odgrywa chlor. Wynik, przynajmniej w warunkach laboratoryjnych, jest imponujący: bardzo wysoka energia na jednostkę masy i niezwykle niskie koszty materiałów.
Chemia siarki
W układzie okresowym pierwiastków siarka znajduje się tuż pod tlenem, ale jej właściwości chemiczne znacznie odbiegają od właściwości jej bardziej znanego sąsiada. Podobnie jak tlen, ma zdolność tworzenia wiązań kowalencyjnych, niezbędnych w biochemii, ale dodatkowo charakteryzuje się niezwykłą wszechstronnością: może stosunkowo łatwo przyjmować lub oddawać elektrony. Właśnie ta ambiwalencja jest tutaj wykorzystywana.
Siarka pierwiastkowa tworzy struktury ośmioatomowe, które w odpowiednich warunkach mogą uwolnić do 32 elektronów. Znalezienie tych warunków było prawdziwym wyzwaniem. Proponowane rozwiązanie jest zaskakująco proste w konstrukcji: katoda z czystej siarki i anoda, która jest niczym innym jak arkuszem aluminium pełniącym funkcję kolektora prądu. Żadnych krytycznych metali ani skomplikowanych struktur.
Elektrolit jest trzecim filarem systemu. Wysoce skoncentrowane mieszaniny chlorków glinu, sodu i chloru pełnią jednocześnie kilka funkcji: stabilizują glin, ułatwiają transport jonów i dostarczają chlor niezbędny do reakcji katodowych. Kiedy bateria się rozładowuje, siarka traci elektrony i przekształca się w tetrachlorek siarki, pobierając chlor z elektrolitu. Z drugiej strony sód zyskuje te elektrony i osadza się jako metal na aluminium. Jest to elegancki proces, ale wymaga elektrolitów niewodnych; wiadomo bowiem, że metaliczny sód i woda nie współgrają ze sobą.
Wysoka wydajność
Aby system działał stabilnie, naukowcy oddzielili elektrody włóknem szklanym i dodali porowaty węgiel do katody, zapobiegając swobodnej migracji związków siarki w baterii. Nie jest to drobny szczegół: ta niekontrolowana dyfuzja była przyczyną upadku wielu obiecujących chemikaliów.
Testy potwierdzają, że sód rzeczywiście osadza się na aluminium, a reakcje siarki przebiegają poprzez dobrze zdefiniowane pośredniki. Wykryto również problem praktyczny: konwencjonalny chlorek sodu ma tendencję do wytrącania się, zmniejszając dostępność sodu. Dostosowanie elektrolitu będzie miało kluczowe znaczenie, jeśli planuje się skalowanie tej technologii.
Mimo to liczby są imponujące. Bateria wytrzymuje około 1400 cykli, zanim jej pojemność ulegnie znacznemu spadkowi. Nawet po 400 dniach bezczynności zachowuje ponad 95% ładunku, co jest szczególnie istotne w przypadku magazynowania stacjonarnego. Szybkie ładowanie przyspiesza degradację, ale nie jest to niczym niezwykłym w rzeczywistych warunkach.
Pod względem gęstości energii wartości teoretyczne przekraczają 2000 Wh na kilogram, biorąc pod uwagę obie elektrody. Co prawda liczba ta spadnie po uwzględnieniu całego systemu, ale nawet po realistycznych korektach wydajność może być wyższa niż w przypadku obecnie dostępnych na rynku baterii sodowo-jonowych lub sodowo-siarkowych.
Kolejnym czynnikiem wyróżniającym jest cena. Według szacunków samych naukowców koszt materiałów wyniósłby około 5 dolarów za kWh, czyli mniej niż jedną dziesiątą obecnego kosztu wielu baterii sodowych. Bez wielkich obietnic, bez marketingu. Tylko podstawowa chemia, dostępna w dużych ilościach i tania.
Potencjał
Jeśli ta chemia zostanie bezpiecznie wdrożona na większą skalę, jej naturalnym zastosowaniem będą sieci elektryczne, wiejskie mikrosieci i magazynowanie rezerwowe. Systemy, w których koszt za kWh ma większe znaczenie niż ekstremalna gęstość i gdzie kluczowa jest długoterminowa stabilność.
Może ona również odegrać rolę w krajach, które nie mają wystarczających środków na import drogich baterii, ułatwiając decentralizację elektryfikacji i lokalne magazynowanie energii odnawialnej. Technologia mniej ekskluzywna, bardziej demokratyczna. To ma znaczenie.
Nie jest to rozwiązanie natychmiastowe ani uniwersalne. Brakuje inżynierii, walidacji przemysłowej i rozwiązania problemów związanych z bezpieczeństwem. Ale pokazuje coś ważnego: jest miejsce na inne myślenie. A w trakcie transformacji energetycznej posiadanie alternatyw opartych na prostej, łatwo dostępnej i taniej chemii jest nie tylko interesujące. Jest konieczne.