Τρεις εναλλακτικές λύσεις για την απεξάρτησή μας από τις μπαταρίες λιθίου

Σύμφωνα με το BBC, οι εταιρείες αναζητούν μανιωδώς πιο βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις στη βαριά και αυξανόμενη εξάρτησή μας από το λίθιο, το οποίο η Ευρωπαϊκή Ένωση κατέταξε ως «κρίσιμη πρώτη ύλη» το 2020. Το μέγεθος της αγοράς για τις μπαταρίες λιθίου προβλέπεται να αυξηθεί από 57 δισ. δολάρια το 2023, σε 187 δισ. δολάρια μέχρι το 2032.

Η εξόρυξη λιθίου με τη χρήση λιμνών εξάτμισης, όπως γίνεται σε χώρες όπως η Χιλή, συνοδεύεται από μεγάλο υδάτινο αποτύπωμα. Μελέτες δείχνουν ότι κατά τη διαδικασία εξάτμισης ενδέχεται να απελευθερωθούν μολυσματικοί παράγοντες στο περιβάλλον, επηρεάζοντας ενδεχομένως τις κοντινές κοινότητες. Η λειψυδρία που προκαλείται από την εξόρυξη θα μπορούσε επίσης να απειλήσει τα μέσα διαβίωσης των αυτόχθονων κοινοτήτων. Η επικάλυψη των περιοχών εξόρυξης με τις περιοχές διαβίωσης των ιθαγενών έχει επίσης οδηγήσει σε αναγκαστική μετανάστευση και εγκατάλειψη των προγονικών χωριών.

Μια εναλλακτική λύση στη μέθοδο εξάτμισης είναι η εξόρυξη σκληρών πετρωμάτων, όπως γίνεται στην Αυστραλία. Αλλά και αυτή έχει τα δικά της μειονεκτήματα. Για κάθε τόνο λιθίου που εξορύσσεται, εκπέμπονται στην ατμόσφαιρα περίπου 15 τόνοι CO2.

Υπάρχουν λοιπόν βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για την μπαταρία ιόντων λιθίου;

Μπαταρίες ιόντων νατρίου

Στις μπαταρίες ιόντων νατρίου, το νάτριο αντικαθιστά άμεσα το λίθιο. Όπως και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες νατρίου αποτελούνται από την άνοδο, την κάθοδο, έναν ηλεκτρολύτη και έναν διαχωριστή. Η κατάσταση του ηλεκτρολύτη ποικίλλει ανάλογα με τον κατασκευαστή.

Η αναλογία νατρίου προς λίθιο στο φλοιό της γης είναι 23.600 μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) προς 20 ppm. Η φυσική αφθονία νατρίου οδηγεί σε πολύ χαμηλότερο κόστος εξόρυξης. Ένας άλλος παράγοντας υπέρ της μπαταρίας νατρίου είναι ότι μπορεί να κάνει χρήση άλλων υλικών χαμηλότερου κόστους, αντικαθιστώντας, για παράδειγμα, τα φύλλα χαλκού με φύλλα αλουμινίου.

Η Maria Forsyth, πρόεδρος του Τμήματος Ηλεκτροϋλικών και Επιστημών Διάβρωσης στο Πανεπιστήμιο Deakin της Αυστραλίας, αναφέρει ότι η μετάβαση από την παραγωγή μπαταριών λιθίου σε μπαταρίες νατρίου θα είχε αρκετά χαμηλό κόστος.

«Κατασκευαστικά, η μετάβαση είναι εύκολη, διότι τα ίδια εργοστάσια, τα οποία σήμερα παράγουν μπαταρίες ιόντων λιθίου, μπορούν να κατασκευάσουν μπαταρίες νατρίου», λέει η Forsyth. «Αυτό σημαίνει ότι η παραγωγή μπορεί να κλιμακωθεί γρήγορα».

Ένα πλεονέκτημα των μπαταριών νατρίου είναι η ασφάλειά τους κατά τη μεταφορά. «Ένα μοναδικό χαρακτηριστικό της τεχνολογίας ιόντων νατρίου είναι η δυνατότητα εκφόρτισης του νατρίου σε μηδενικά βολτ για αποθήκευση και μεταφορά», λέει ο James Quinn, διευθύνων σύμβουλος της Faradion, εταιρείας με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο που κατασκευάζει μπαταρίες ιόντων νατρίου. «Αυτό σημαίνει ότι μια μπαταρία μπορεί να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί σε ασφαλέστερες συνθήκες». Τα χαμηλότερα επίπεδα κινδύνου ανάφλεξης την καθιστούν ασφαλέστερη επιλογή σε σύγκριση με τις μπαταρίες λιθίου.

Ένα μειονέκτημα, ωστόσο, είναι η χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα. Για τους κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων, οι μπαταρίες χαμηλής ενεργειακής πυκνότητας είναι προβληματικές, επειδή αυτό επηρεάζει την εμβέλεια ενός οχήματος. Ενώ οι μπαταρίες λιθίου έχουν ενεργειακή πυκνότητα μεταξύ 150-220 Wh/kg (βατώρες ανά χιλιόγραμμο), οι μπαταρίες νατρίου έχουν ενεργειακή πυκνότητα μεταξύ 140-160 Wh/kg. Επομένως είναι λιγότερο πιθανό οι μπαταρίες νατρίου να κλιμακωθούν εμπορικά για χρήση σε οχήματα που απαιτούν μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των φορτίσεων.

Ένα άλλο εμπόδιο είναι ότι οι μπαταρίες νατρίου μπορούν να διαχειριστούν μόνο έναν μικρό αριθμό κύκλων φόρτισης κατά τη διάρκεια της ζωής τους. Επί του παρόντος, οι μπαταρίες νατρίου έχουν κύκλο φόρτισης περίπου 5.000 φορές, ενώ οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου (ένας τύπος μπαταρίας ιόντων λιθίου) μπορούν να φορτιστούν μεταξύ 8.000-10.000 φορές. Αλλά οι ερευνητές εργάζονται πάνω σε αυτό∙ το 2023, επιστήμονες και μηχανικοί στην Κίνα πέτυχαν 6.000 κύκλους χρησιμοποιώντας έναν διαφορετικό τύπο ηλεκτροδίου.

Μπαταρίες στερεάς κατάστασης

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν στερεούς ηλεκτρολύτες, αντί για τους υγρούς ή υδατικούς ηλεκτρολύτες που συνηθίζονται στις παραδοσιακές μπαταρίες. Οι δύο πιο δημοφιλείς τύποι στερεών ηλεκτρολυτών περιλαμβάνουν ανόργανους στερεούς ηλεκτρολύτες (οξείδια και σουλφίδια) και στερεά πολυμερή (πολυμερή άλατα ή πολυμερή γέλης).

Η χρήση στερεών ηλεκτρολυτών μειώνει τον κίνδυνο σχηματισμού δενδριτών, των δενδροειδών δομών εντός της μπαταρίας που μπορούν να την υποβαθμίσουν. Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης έχουν επίσης μικρότερο κίνδυνο ανάφλεξης, υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και ταχύτερο κύκλο φόρτισης.

Ωστόσο, με βάση ένα μοντέλο υπολογισμού για το 2020, το κόστος κατασκευής των μπαταριών στερεάς κατάστασης είναι επίσης επί του παρόντος υψηλότερο από εκείνο των μπαταριών ιόντων λιθίου.

Για να προωθηθεί η τεχνολογία των μπαταριών στερεάς κατάστασης, είναι απαραίτητο να βρεθούν ανθεκτικοί ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης. Ορισμένοι ερευνητές λένε ότι δεν έχει βρεθεί ακόμη ο ιδανικός στερεός ηλεκτρολύτης. Ωστόσο, η Solid Power με έδρα το Κολοράντο έχει σχεδιάσει μια μπαταρία με ηλεκτρολύτη σουλφιδίου, η οποία, όπως υποστηρίζει, έχει 50-100% υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα από τις σύγχρονες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η Solid Power στοχεύει να επεκτείνει την τεχνολογία στερεάς κατάστασης ώστε να τροφοδοτεί 800.000 ηλεκτρικά οχήματα ετησίως έως το 2028.

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης είναι επί του παρόντος αξιοποιήσιμες σε φορητά ηλεκτρονικά είδη και έξυπνες οικιακές συσκευές. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε ιατρικές συσκευές. Αλλά αυτή τη στιγμή δεν αποτελούν επιλογή για αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας.

Μπαταρίες λιθίου-θείου

Οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι παρόμοιες σε σύνθεση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου – και, όπως υποδηλώνει το όνομα, εξακολουθούν να χρησιμοποιούν λίγο λίθιο. Το λίθιο βρίσκεται στην άνοδο της μπαταρίας και το θείο χρησιμοποιείται στην κάθοδο. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν στην κάθοδο σπάνια ορυκτά όπως νικέλιο, μαγγάνιο και κοβάλτιο.

Το θείο είναι πιο άφθονο στον φλοιό της Γης από ό,τι το νικέλιο, το μαγγάνιο και το κοβάλτιο και η διαδικασία εξόρυξής του είναι λιγότερο απαιτητική σε πόρους. Είναι επίσης ευρύτερα διαθέσιμο, επειδή αποτελεί υποπροϊόν της επεξεργασίας φυσικού αερίου και της διύλισης πετρελαίου. Αν και οι προμήθειες θείου μπορεί να μειωθούν τις επόμενες δεκαετίες λόγω της παγκόσμιας απεξάρτησης από τον άνθρακα, μόνο οι ΗΠΑ αυτή τη στιγμή παράγουν 8,6 εκατομμύρια τόνους θείου ετησίως.

Έτσι, αν και οι μπαταρίες αυτές περιέχουν λίθιο, η αφθονία του θείου τις καθιστά δυνητικά πιο βιώσιμη επιλογή σε σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Είναι επίσης σχετικά εύκολες στην παραγωγή καθώς μπορούν να κατασκευαστούν στις ίδιες εγκαταστάσεις.

Στα πλεονεκτήματά τους περιλαμβάνεται και η υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, που σημαίνει ότι παράγουν περισσότερη ενέργεια.

«Το θείο έχει την ικανότητα να μετακινεί περισσότερα ηλεκτρόνια. Οι μπαταρίες λιθίου-θείου έχουν εννέα φορές μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα από μια μπαταρία ιόντων λιθίου», λέει ο Aqsa Nazir, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο έρευνας μπαταριών του Διεθνούς Πανεπιστημίου της Φλόριντα.

Ωστόσο, οι μπαταρίες αυτές παρουσιάζουν προβλήματα στη φόρτιση εξαιτίας του σχηματισμού δενδριτών. Με τα πρωτότυπα να λειτουργούν για μόλις 50 κύκλους φόρτισης, δεν είναι ακόμη εφικτή η χρήση τους σε ηλεκτρικά αυτοκίνητα, για παράδειγμα.

Οι μπαταρίες θείου λιθίου κυκλοφορούν ήδη στην αγορά, όπου χρησιμοποιούνται για συσκευές που απαιτούν μπαταρίες με μικρότερο βάρος και μεγαλύτερο χρόνο λειτουργίας με μία φόρτιση.