Παραμερίστε το Λίθιο: Οι Μπαταρίες Αλουμινίου και Θείου Φέρνουν Επανάσταση στην Ενέργεια

• Τον Ιανουάριο του 2024, μια μελέτη στο Nature Communications ανέφερε μια μπαταρία αλουμινίου-θείου που λειτουργεί στους 85 °C με ηλεκτρολύτη τήγματος χλωροαλουμινίου, διατηρώντας το 85,4% της χωρητικότητάς της μετά από 1.400 κύκλους στο 1C.
• Το πρωτότυπο μπαταρίας αλουμινίου-ιόντων του Στάνφορντ το 2015 χρησιμοποίησε ανόδιο αλουμινίου και καθόδιο γραφίτη, επιτρέποντας υπερταχεία φόρτιση (περίπου ένα λεπτό) και πάνω από 7.500 κύκλους σε περίπου 2 V.
• Το 2014 η Phinergy παρουσίασε αυτοκίνητο που μπορούσε να διανύσει περίπου 1.100 μίλια χρησιμοποιώντας μπαταρίες αλουμινίου-αέρα.
• Οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα προσφέρουν περίπου τριπλάσια ενεργειακή πυκνότητα ανά βάρος σε σύγκριση με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
• Τον Ιανουάριο του 2023 το Argonne National Laboratory παρουσίασε κυψέλες Li–S με ενδιάμεσο στρώμα redox-active που σχεδόν εξάλειψε το φαινόμενο shuttle και επέτρεψε πάνω από 700 κύκλους.
• Οι κυψέλες λιθίου-θείου έχουν επιδείξει ενεργειακές πυκνότητες γύρω στα 400–500 Wh/kg σε εργαστήρια, και το έργο SABERS της NASA στοχεύει περίπου στα 500 Wh/kg για ηλεκτρική αεροπορία.
• Τον Αύγουστο του 2022 ο Donald Sadoway του MIT παρουσίασε μπαταρία αλουμινίου-θείου με ανόδιο αλουμινίου και καθόδιο θείου, χρησιμοποιώντας ηλεκτρολύτες τήγματος αλάτων για να επιτρέψει χαμηλού κόστους, ασφαλή λειτουργία.
• Τον Οκτώβριο του 2024 η Lyten ανακοίνωσε σχέδια για την κατασκευή του πρώτου στον κόσμο gigafactory μπαταριών Li–S στη Νεβάδα, με στόχο τα 10 GWh/έτος έως το 2027.
• Τον Μάρτιο του 2025 η Theion συγκέντρωσε €15 εκατομμύρια για να κλιμακώσει κυψέλες Li–S με κρυσταλλικό θείο, ισχυριζόμενη τριπλάσια ενεργειακή πυκνότητα από τις Li-ion, το ένα τρίτο του κόστους και το ένα τρίτο των εκπομπών CO₂, με σχέδια μετάβασης από coin cells σε μεγαλύτερες pouch cells.
• Το 2023 η Phinergy και η Indian Oil Corporation παρουσίασαν το πρώτο όχημα της Ινδίας με ενέργεια από μπαταρία αλουμινίου-αέρα, σηματοδοτώντας δυναμική ανάπτυξης στην αγορά.

Φανταστείτε μπαταρίες φτιαγμένες από κοινό αλουμινόχαρτο και σκόνη θείου, που τροφοδοτούν τα πάντα, από σπίτια μέχρι ηλεκτρικά αυτοκίνητα, με ένα κλάσμα του σημερινού κόστους. Οι μπαταρίες με βάση το αλουμίνιο και το θείο αναδύονται ως υποσχόμενες εναλλακτικές στις παραδοσιακές κυψέλες ιόντων λιθίου, προσφέροντας το δελεαστικό ενδεχόμενο φθηνότερης, ασφαλέστερης και πιο βιώσιμης αποθήκευσης ενέργειας. Σε αυτή την αναφορά, εξετάζουμε τι είναι αυτές οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου, πώς λειτουργούν, τους διάφορους τύπους που αναπτύσσονται (συμπεριλαμβανομένου ενός συναρπαστικού συνδυασμού αλουμινίου και θείου), τα πλεονεκτήματα και τις προκλήσεις τους, τους βασικούς παίκτες που οδηγούν τις καινοτομίες, και πώς οι πρόσφατες εξελίξεις του 2024–2025 θα μπορούσαν να μεταμορφώσουν την καθαρή ενέργεια και τα ηλεκτρικά οχήματα. (Όλες οι πηγές παρατίθενται για αξιοπιστία.)

Τι Είναι οι Μπαταρίες Αλουμινίου και Θείου;

Οι μπαταρίες αλουμινίου και οι μπαταρίες θείου αντιπροσωπεύουν δύο ευρείες οικογένειες τεχνολογιών επαναφορτιζόμενων μπαταριών επόμενης γενιάς που στοχεύουν να αντιμετωπίσουν τους περιορισμούς των σημερινών μπαταριών ιόντων λιθίου. Απλά, χρησιμοποιούν αλουμίνιο ή θείο (ή και τα δύο) στις ηλεκτροχημικές τους αντιδράσεις αντί να βασίζονται αποκλειστικά σε χημείες με βάση το λίθιο. Όπως κάθε μπαταρία, αυτές έχουν τρία βασικά μέρη – ένα θετικό ηλεκτρόδιο (καθόδιο), ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (ανόδιο) και έναν ηλεκτρολύτη ενδιάμεσα που μεταφέρει ιόντα κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση. Η βασική διαφορά είναι η χημεία: στις μπαταρίες αλουμινίου, το μέταλλο αλουμίνιο συχνά λειτουργεί ως ανόδιο (και σε ορισμένα σχέδια παρέχει τα ιόντα που μεταφέρουν το φορτίο), ενώ στις μπαταρίες θείου, το στοιχείο θείο συνήθως λειτουργεί ως υλικό καθοδίου που δέχεται ιόντα από ένα ανόδιο μετάλλου (όπως λίθιο ή νάτριο).

Γιατί να εξερευνήσουμε το αλουμίνιο ή το θείο; Και τα δύο στοιχεία είναι απίστευτα άφθονα και φθηνά σε σύγκριση με το λίθιο και το κοβάλτιο που χρησιμοποιούνται στις κυψέλες ιόντων λιθίου. Το αλουμίνιο είναι το πιο άφθονο μέταλλο στον φλοιό της Γης και έχει πολύ υψηλή θεωρητική ικανότητα αποθήκευσης φορτίου (κάθε άτομο Al μπορεί να απελευθερώσει 3 ηλεκτρόνια, δίνοντάς του χωρητικότητα φορτίου 2,98 Ah ανά γραμμάριο, που είναι τεράστια)very high theoretical capacitynature.com. Το θείο είναι ένα από τα φθηνότερα μη μεταλλικά στοιχεία (συχνά παραπροϊόν της διύλισης πετρελαίου) και μπορεί να δεσμεύσει δύο ιόντα λιθίου ανά άτομο, επιτρέποντας πολύ υψηλό δυναμικό αποθήκευσης ενέργειαςnature.com, anl.gov. Καταρχήν, οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν αλουμίνιο ή θείο θα μπορούσαν να αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια για δεδομένο βάρος και να κοστίζουν πολύ λιγότερο από τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου. Όπως εξηγούν οι ερευνητές του Argonne National Laboratory, «Το θείο είναι εξαιρετικά άφθονο και οικονομικά αποδοτικό και μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερη ενέργεια από τις παραδοσιακές μπαταρίες με βάση τα ιόντα.»“Sulfur is extremely abundant and cost effective and can hold more energy than traditional ion-based batteries.” anl.gov Ομοίως, το αλουμίνιο είναι φθηνό, ευρέως διαθέσιμο και αποθηκεύει πυκνά το φορτίο τόσο κατά βάρος όσο και κατά όγκοnature.com.Ένα ακόμη μεγάλο κίνητρο είναι η ασφάλεια και η βιωσιμότηταsafety and sustainability. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούν εύφλεκτους οργανικούς υγρούς ηλεκτρολύτες και συχνά απαιτούν σπάνια μέταλλα (όπως κοβάλτιο, νικέλιο, λίθιο) που δημιουργούν προβλήματα στην εφοδιαστική αλυσίδα και ηθικά ζητήματα. Αντίθετα, πολλά σχέδια μπαταριών αλουμινίου και θείου μπορούν να χρησιμοποιούν μη εύφλεκτους ηλεκτρολύτες (όπως ιοντικά υγρά ή τήγματα αλάτων) και να αποφεύγουν τα συγκρουσιακά ορυκτά. Για παράδειγμα, ένα πρόσφατο σχέδιο μπαταρίας λιθίου-θείου χρησιμοποιεί μόνο «άφθονα διαθέσιμα τοπικά υλικά, εξαλείφοντας την ανάγκη για εξορυσσόμενα ορυκτά όπως το νικέλιο, το κοβάλτιο, το μαγγάνιο και ο γραφίτης», σύμφωνα με τη νεοφυή εταιρεία μπαταριών Lytenlyten.com. Ο καθηγητής του MIT Donald Sadoway – κορυφαίος καινοτόμος στις μπαταρίες – αναζητά ρητά «φθηνά, άφθονα στη Γη»“cheap, Earth-abundant” συστατικά για να εφεύρει κάτι «πολύ καλύτερο από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου»“much better than lithium-ion”, επιλέγοντας το αλουμίνιο για την άνοδο και το θείο για την κάθοδο στη νέα του χημεία μπαταρίαςnews.mit.edu.Εν συντομία, οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου αποτελούν μια προσπάθεια να κατασκευαστεί μια φθηνότερη, ασφαλέστερη και πιο ηθική μπαταρίαcheaper, safer, and more ethical battery χρησιμοποιώντας στοιχεία που είναι άφθονα (χωρίς παγκόσμια έλλειψη), φθηνά και εγγενώς υψηλής χωρητικότητας. Τώρα ας εξερευνήσουμε πώς λειτουργούν αυτές οι μπαταρίες στην πράξη και τους διαφορετικούς τύπους που αναπτύσσονται.

Πώς λειτουργούν; (Βασικά στοιχεία μπαταριών με απλά λόγια)

Οι μπαταρίες με βάση το αλουμίνιο χρησιμοποιούν συνήθως μέταλλο αλουμινίου ως άνοδο. Όταν η μπαταρία εκφορτίζεται, το μέταλλο αλουμινίου αποδίδει ηλεκτρόνια (παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα) και ιόντα αλουμινίου (Al³⁺) που ταξιδεύουν μέσω του ηλεκτρολύτη προς την κάθοδο. Ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας, αυτά τα ιόντα αλουμινίου είτε διαστρωματώνονται (εισάγονται) σε ένα υλικό καθόδου είτε αντιδρούν με αυτό. Για παράδειγμα, σε μια μπαταρία ιόντων αλουμινίου, τα ιόντα Al³⁺ μετακινούνται σε μια στρωματοποιημένη κάθοδο (όπως γραφίτη ή μεταλλικό οξείδιο) και επιστρέφουν κατά τη φόρτιση news.stanford.edu. Σε μια μπαταρία αλουμινίου-θείου, τα ιόντα αλουμινίου αντιδρούν με το θείο στην κάθοδο για να σχηματίσουν ενώσεις αλουμινίου-θείου κατά την εκφόρτιση, και στη συνέχεια επιστρέφουν σε μέταλλο αλουμινίου κατά τη φόρτιση nature.com. Και στις μπαταρίες αλουμινίου-αέρα, το μέταλλο αλουμινίου αντιδρά με το οξυγόνο του αέρα σε μια ειδική κάθοδο, παράγοντας οξείδιο ή υδροξείδιο του αλουμινίου – μια αντίδραση που απελευθερώνει ηλεκτρισμό μέχρι να καταναλωθεί η άνοδος αλουμινίου.

Οι μπαταρίες με βάση το θείο συνήθως περιλαμβάνουν μια κάθοδο θείου σε συνδυασμό με μια άνοδο μετάλλου (το λίθιο είναι το πιο συνηθισμένο, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και νάτριο, μαγνήσιο ή αλουμίνιο). Παίρνοντας ως παράδειγμα τη μπαταρία λιθίου-θείου (Li-S): κατά την εκφόρτιση, τα άτομα μετάλλου λιθίου στην άνοδο αποδίδουν ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε ιόντα λιθίου (Li⁺) που ταξιδεύουν μέσω του ηλεκτρολύτη προς την κάθοδο θείου. Το θείο (μόρια S₈) εκεί μετατρέπεται σε θειούχο λίθιο (Li₂S) ενσωματώνοντας ιόντα λιθίου – ουσιαστικά, το θείο απορροφά ιόντα λιθίου και ηλεκτρόνια για να σχηματίσει νέες ενώσεις, αποθηκεύοντας ενέργεια στους χημικούς δεσμούς. Κατά τη φόρτιση, αυτή η διαδικασία αντιστρέφεται: τα ιόντα λιθίου φεύγουν από το θείο και επιστρέφουν στην άνοδο, και το θείο αναγεννάται. Επειδή κάθε άτομο θείου μπορεί να δεσμεύσει δύο άτομα λιθίου, και οι δακτύλιοι S₈ μπορούν να διασπαστούν σε διάφορα μόρια πολυσουλφιδίου λιθίου, οι μπαταρίες Li-S μπορούν θεωρητικά να αποθηκεύσουν 3–5 φορές περισσότερη ενέργεια ανά βάρος από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Οι μπαταρίες νατρίου-θείου (Na-S) λειτουργούν ανάλογα με ιόντα νατρίου και συνήθως σχηματίζουν πολυσουλφίδια νατρίου ή θειούχο νάτριο.

Σε όλες αυτές τις μπαταρίες, τα ιόντα μετακινούνται μπρος-πίσω μέσω ενός ηλεκτρολύτη ενώ τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος – έτσι φορτίζει και εκφορτίζει η μπαταρία. Ο ηλεκτρολύτης μπορεί να είναι υγρός, γέλη ή στερεός που επιτρέπει τη μετακίνηση των ιόντων αλλά αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να περάσουν από το κύκλωμα (που τροφοδοτεί τη συσκευή σας). Σημαντικό είναι ότι ορισμένες από αυτές τις νέες χημείες απαιτούν ειδικούς ηλεκτρολύτες για να λειτουργήσουν. Οι μπαταρίες ιόντων αλουμινίου συχνά βασίζονται σε ηλεκτρολύτες ιοντικού υγρού ή τήγματος αλάτων επειδή τα ιόντα Al³⁺ αλληλεπιδρούν έντονα με τα τυπικά διαλύτες. Μάλιστα, οι πρώτες επαναφορτιζόμενες μπαταρίες αλουμινίου έγιναν εφικτές μόνο όταν οι ερευνητές βρήκαν ένα ιοντικό υγρό σε θερμοκρασία δωματίου (βασισμένο σε άλατα χλωροαλουμινίου) που επιτρέπει στα ιόντα αλουμινίου να εισέρχονται και να εξέρχονται από μια κάθοδο γραφίτη αποτελεσματικά news.stanford.edu. Παρομοίως, οι μπαταρίες λιθίου-θείου συχνά χρησιμοποιούν τροποποιημένους υγρούς ή στερεούς ηλεκτρολύτες για να αποτρέψουν προβλήματα που θα συζητήσουμε αργότερα (όπως η διαρροή θείου στον ηλεκτρολύτη).

Για να συνοψίσουμε με απλά λόγια: οι μπαταρίες αλουμινίου παράγουν ενέργεια καθώς το μέταλλο αλουμινίου απελευθερώνει πολλαπλά ηλεκτρόνια ανά άτομο (απίστευτα υψηλό φορτίο ανά άτομο μετάλλου) και σχηματίζει δεσμούς είτε με μια καθοδική υποδοχή είτε με οξυγόνο/θείο, ενώ οι μπαταρίες θείου παράγουν ενέργεια καθώς ένα ελαφρύ, άφθονο στοιχείο (θείο) συλλαμβάνει ιόντα μετάλλου και ηλεκτρόνια σε ενώσεις πλούσιες σε ενέργεια. Και οι δύο σχεδιασμοί μας πηγαίνουν πέρα από τη μεταφορά ενός μόνο ιόντος λιθίου των σημερινών μπαταριών, προσφέροντας ενδεχομένως περισσότερη ενέργεια ανά φόρτιση. Στη συνέχεια, ας δούμε τις συγκεκριμένες ποικιλίες αυτών των μπαταριών που βρίσκονται υπό ανάπτυξη.

Τύποι Μπαταριών με Βάση το Αλουμίνιο

Οι ερευνητές εξερευνούν διάφορους τύπους μπαταριών που χρησιμοποιούν το αλουμίνιο με διαφορετικούς τρόπους:

• Επαναφορτιζόμενες Μπαταρίες Αλουμινίου-Ιόντων (Al-Ion): Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούν μέταλλο αλουμινίου ως άνοδο και συνήθως μια γραφιτική κάθοδο με ειδικό ηλεκτρολύτη ιοντικού υγρού. Ένα διάσημο πρώιμο παράδειγμα προήλθε από το Πανεπιστήμιο Stanford το 2015, όπου επιστήμονες παρουσίασαν ένα πρωτότυπο μπαταρίας αλουμινίου-ιόντων με άνοδο αλουμινίου και κάθοδο γραφίτη σε ιοντικό υγρό. Επέδειξε εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση (ένα μικρό στοιχείο μπορούσε να φορτιστεί σε περίπου ένα λεπτό!) και εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής κύκλων (πάνω από 7.500 κύκλοι φόρτισης χωρίς απώλεια χωρητικότητας) news.stanford.edu. Το στοιχείο του Stanford ήταν επίσης πολύ ασφαλές – οι ερευνητές μπορούσαν να τρυπήσουν το στοιχείο χωρίς να πάρει φωτιά, σε αντίθεση με τα στοιχεία λιθίου news.stanford.edu. Ωστόσο, είχε χαμηλότερη τάση (~2 βολτ, περίπου η μισή από την τυπική τάση ενός στοιχείου Li-ion) news.stanford.edu, που σημαίνει ότι θα χρειάζονταν περισσότερα στοιχεία σε σειρά για να επιτευχθούν χρήσιμες τάσεις. Κύριο πλεονέκτημα: Οι μπαταρίες Al-ion υπόσχονται γρήγορη φόρτιση, μεγάλη διάρκεια ζωής και βελτιωμένη ασφάλεια (χωρίς εξαρτήματα που προκαλούν φωτιά), χρησιμοποιώντας φθηνά υλικά (αλουμίνιο και άνθρακα) news.stanford.edu. Συνεχιζόμενη έρευνα στοχεύει στην ενίσχυση της ενεργειακής πυκνότητας βρίσκοντας καλύτερες καθόδους και ηλεκτρολύτες για αύξηση της τάσης και της χωρητικότητας news.stanford.edu. Πολλές ομάδες παγκοσμίως (από το Stanford έως κινεζικά πανεπιστήμια news.mit.edu) προωθούν την τεχνολογία αλουμινίου-ιόντων. Για παράδειγμα, ερευνητές εξετάζουν διάφορα υλικά καθόδου (ακόμη και μεταλλικά θειούχα nature.com) για πιο αποτελεσματική αποθήκευση ιόντων αλουμινίου nature.com.
Οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα: Η αλουμινίου-αέρα είναι μια πρωτογενής μπαταρία (μη επαναφορτιζόμενη με ηλεκτρισμό, αλλά δυνητικά “ανεφοδιαζόμενη” μηχανικά) όπου το αλουμίνιο αντιδρά με το οξυγόνο του αέρα για να παράγει ηλεκτρισμό. Αυτές οι κυψέλες έχουν εντυπωσιακά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα επειδή η καθόδιο είναι απλώς ο ατμοσφαιρικός αέρας – κάνοντας τη μπαταρία εξαιρετικά ελαφριά. Στην πραγματικότητα, τα πακέτα αλουμινίου-αέρα μπορούν να έχουν περίπου 3 φορές περισσότερη ενέργεια ανά βάρος από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου σε επίπεδο συστήματος evreporter.com. Το μειονέκτημα είναι ότι μόλις το ανόδιο αλουμινίου οξειδωθεί σε υδροξείδιο ή οξείδιο του αλουμινίου, η κυψέλη “εξαντλείται” και χρειάζεται νέο αλουμίνιο για να συνεχίσει. Αυτό κάνει τις μπαταρίες αλουμινίου-αέρα να μοιάζουν περισσότερο με κυψέλη καυσίμου ή με επεκτατή αυτονομίας: θα αλλάζατε μια νέα πλάκα αλουμινίου (και θα ανακυκλώνατε την χρησιμοποιημένη) αντί να τη φορτίζετε με ρεύμα. Εταιρείες όπως η Phinergy στο Ισραήλ πρωτοπορούν στα συστήματα αλουμινίου-αέρα εδώ και χρόνια. Σε συνεργασία με την Indian Oil Corporation, δοκιμάζουν πιλοτικά μπαταρίες αλουμινίου-αέρα σε ηλεκτρικά οχήματα και μονάδες εφεδρικής τροφοδοσίας. Το 2023, παρουσίασαν ένα μικρό ηλεκτρικό αυτοκίνητο στην Ινδία που διένυσε πάνω από 500 χλμ με κυψέλες αλουμινίου-αέρα πριν χρειαστεί “ανεφοδιασμό” αλουμινίουevreporter.com. Ο CEO της Phinergy, David Mayer, σημειώνει ότι η τεχνολογία αλουμινίου-αέρα είναι “ασφαλής, μη εύφλεκτη,”, απαιτεί καθόλου βαριά υποδομή φόρτισης, και μπορεί να επαναφορτιστεί (με αντικατάσταση αλουμινίου) “σε λίγα λεπτά” αντί για ώρες evreporter.com. Το μειονέκτημα είναι η δημιουργία μιας ολόκληρης εφοδιαστικής αλυσίδας για μαζική παραγωγή και ανακύκλωση πλακών αλουμινίου. Ωστόσο, αυτή η τεχνολογία είναι ήδη εμπορικά διαθέσιμη σε εξειδικευμένες αγορές: π.χ. οι μονάδες αλουμινίου-αέρα της Phinergy χρησιμοποιούνται ως εφεδρική ισχύς για τηλεπικοινωνιακούς πύργους (αντικαθιστώντας γεννήτριες ντίζελ) στο Ισραήλ και την Ευρώπη evreporter.com. Οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα ίσως να μην αντικαταστήσουν άμεσα την επαναφορτιζόμενη μπαταρία του κινητού σας, αλλά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως επεκτατές αυτονομίας για ηλεκτρικά οχήματα ή αποθήκευση μεγάλης διάρκειας – παρέχοντας ένα τεράστιο ενεργειακό απόθεμα που αλλάζετε περιοδικά.Οι Μπαταρίες Αλουμινίου-Θείου: Εντυπωσιακά, ορισμένοι ερευνητές συνδυάζουν το αλουμίνιο και το θείο σε μία μπαταρία – χρησιμοποιώντας το αλουμίνιο ως ανόδιο και το θείο ως καθόδιο, με ηλεκτρολύτη λιωμένου άλατος ή ιοντικού υγρού. Αυτή η υβριδική προσέγγιση προσπαθεί να αξιοποιήσει τα καλύτερα και από τα δύο στοιχεία: τη μεγάλη χωρητικότητα ανόδου του αλουμινίου και τη μεγάλη χωρητικότητα καθόδου του θείου, όλα με απίστευτα φθηνά υλικά. Τον Αύγουστο του 2022, μια ομάδα με επικεφαλής τον Donald Sadoway του MIT παρουσίασε ένα νέο σχέδιο μπαταρίας αλουμινίου-θείου που αμέσως τράβηξε τα φώτα της δημοσιότητας για το χαμηλό κόστος και την απόδοσή του. Χρησιμοποιεί λιωμένα χλωρο-αλουμινικά άλατα ως ηλεκτρολύτη, τα οποία λειτουργούν σε μέτρια θερμοκρασία (περίπου 110 °C, παρόμοια με ένα ζεστό φλιτζάνι καφέ) για να διατηρούν το άλας σε υγρή μορφή news.mit.edu. Ο θερμαινόμενος ηλεκτρολύτης ήταν μια έξυπνη επιλογή: όχι μόνο είναι μη εύφλεκτος και φθηνός, αλλά επίσης απέτρεψε τους δενδρίτες – εκείνες τις ενοχλητικές μεταλλικές ακίδες που μπορούν να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα στις μπαταρίες. Όπως είπε ο Sadoway, το επιλεγμένο άλας «ουσιαστικά εξουδετέρωσε αυτούς τους ανεξέλεγκτους δενδρίτες, ενώ επέτρεψε και πολύ γρήγορη φόρτιση» news.mit.edu. Το πρωτότυπο κελί αλουμινίου-θείου του μπορούσε να φορτιστεί σε λιγότερο από ένα λεπτό χωρίς βραχυκύκλωμα και λειτούργησε για εκατοντάδες κύκλους με εκτιμώμενο κόστος ανά κελί περίπου το ένα έκτο από αυτό των αντίστοιχων κελιών ιόντων λιθίου news.mit.edu. Αυτή είναι μια τεράστια μείωση κόστους, που επιβεβαιώθηκε από εξωτερικούς αναλυτές· το κόστος των υλικών για αυτές τις μπαταρίες θα μπορούσε να είναι 85% χαμηλότερο από των ιόντων λιθίου σύμφωνα με το περιοδικό Science news.mit.edu. Το όραμα είναι να χρησιμοποιηθούν τέτοια κελιά για στατική αποθήκευση (π.χ. αποθήκευση ηλιακής ενέργειας για χρήση τη νύχτα) και ίσως για υποστήριξη ταχείας φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων. Ο σχεδιασμός του Sadoway εμπορευματοποιείται από μια startup που ονομάζεται Avanti, η οποία στοχεύει να κλιμακώσει τα κελιά και να πραγματοποιήσει δοκιμές αντοχής στο άμεσο μέλλον news.mit.edu. Εν τω μεταξύ, άλλες ομάδες προωθούν περαιτέρω την ιδέα αλουμινίου-θείου: τον Ιανουάριο του 2024, ερευνητές στην Κίνα ανέφεραν μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία Al-S που μπορεί να λειτουργεί στους 85 °C (λίγο κάτω από το σημείο βρασμού του νερού, ακόμη πιο εύκολο στη διατήρηση) με εξαιρετική διάρκεια ζωής – πάνω από 1.400 κύκλους με μόλις 15% απώλεια χωρητικότητας, και τη δυνατότητα ταχείας φόρτισης σε αυτή τη θερμοκρασία nature.com. Η μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας κάτω από τους 100 °C σημαίνει ότι η απλή θέρμανση με ζεστό νερό θα μπορούσε να διατηρήσει τη μπαταρία, κάτι που «απλοποιεί σημαντικά» τη θερμική διαχείριση και ανοίγει το δρόμο για ευρύτερες εφαρμογές nature.com. Συμπέρασμα: Οι μπαταρίες αλουμινίου-θείου θα μπορούσαν να αποτελέσουν σημείο καμπής για την αποθήκευση ενέργειας δικτύου και ίσως για ορισμένσε οχήματα, παρέχοντας υπερ-χαμηλού κόστους, ανθεκτικές στη φωτιά μπαταρίες που χρησιμοποιούν άφθονο στη Γη αλουμίνιο (το πιο άφθονο μέταλλο) και θείο (το φθηνότερο μη μέταλλο) news.mit.edu.

Τύποι Μπαταριών με Βάση το Θείο

Διάφορες τεχνολογίες μπαταριών αξιοποιούν καθόδους θείου σε συνδυασμό με διαφορετικές ανόδους:

• Μπαταρίες Λιθίου-Θείου (Li-S): Το λίθιο-θείο είναι μία από τις πιο μελετημένες χημείες «μετά το λίθιο» λόγω του εξαιρετικά υψηλού ενεργειακού δυναμικού. Ένα στοιχείο Li-S μπορεί θεωρητικά να αποθηκεύσει έως και 5 φορές περισσότερη ενέργεια ανά βάρος από ένα στοιχείο ιόντων λιθίου, καθώς το θείο είναι πολύ ελαφρύ και κάθε άτομο θείου μπορεί να δεσμεύσει πολλαπλά άτομα λιθίου. Στην πράξη, οι μπαταρίες Li-S έχουν ήδη επιδείξει ενεργειακές πυκνότητες γύρω στα 400–500 Wh/kg (περίπου διπλάσια από τις Li-ion) σε εργαστήρια businessaviation.aero, apricum-group.com. Είναι επίσης ελκυστικές επειδή είναι πολύ φθηνές και φιλικές προς το περιβάλλον – το θείο κοστίζει σχεδόν τίποτα και είναι άφθονο, και τα στοιχεία Li-S δεν περιέχουν κοβάλτιο ή νικέλιο. Ωστόσο, η αχίλλειος πτέρνα των Li-S ήταν η μακροζωία και η σταθερότητα. Τα παραδοσιακά πρωτότυπα Li-S υπέφεραν από το φαινόμενο «πολυθειϊκής μεταφοράς»: ενδιάμεσες ενώσεις θείου (πολυθειϊκά) διαλύονται στον ηλεκτρολύτη κατά τη διάρκεια των κύκλων και μεταναστεύουν στην άνοδο λιθίου, προκαλώντας αυτοεκφόρτιση, διάβρωση και ταχεία απώλεια χωρητικότητας anl.gov. Υφίστανται επίσης σημαντική «αναπνοή» (μεταβολές όγκου) – το θείο διαστέλλεται και συστέλλεται πολύ κατά τη φόρτιση/εκφόρτιση, κάτι που μπορεί να βλάψει τη δομή του στοιχείου reuters.com. Αυτά τα προβλήματα σήμαιναν ότι οι πρώτες μπαταρίες Li-S πέθαιναν μετά από μόλις δεκάδες κύκλους. Τα καλά νέα είναι ότι πρόσφατες ανακαλύψεις επιλύουν αυτά τα προβλήματα. Ερευνητές έχουν αναπτύξει καθόδους νανοδομημένου άνθρακα και πρόσθετα ηλεκτρολύτη για να παγιδεύουν τα πολυθειϊκά και να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής nature.com. Τον Ιανουάριο του 2023, το Argonne National Lab παρουσίασε ένα στοιχείο Li-S με ένα ειδικό πορώδες «redox-ενεργό» ενδιάμεσο στρώμα που σχεδόν εξάλειψε το πρόβλημα της μεταφοράς, επιτρέποντας στη μπαταρία να αντέξει 700+ κύκλους διατηρώντας υψηλή χωρητικότητα anl.gov. «Οι προηγούμενες [θείου] μπαταρίες απλώς καταπίεζαν τη μεταφορά αλλά θυσίαζαν ενέργεια. Το δικό μας στρώμα προσθέτει χωρητικότητα αποθήκευσης και καταστέλλει τη μεταφορά», εξήγησε ο χημικός του Argonne Guiliang Xu anl.gov. Αυτό υποδηλώνει ότι οι μπαταρίες Li-S μπορούν να γίνουν τόσο υψηλής ενέργειας όσο και μεγάλης διάρκειας ζωής. Μάλιστα, εταιρείες τώρα αγωνίζονται να τις εμπορευματοποιήσουν: η Lyten, μια startup της Καλιφόρνια, έχει αναπτύξει στοιχείο λιθίου-θείου ενισχυμένο με ιδιόκτητα υλικά 3D γραφενίου και στοχεύει σε εξειδικευμένες αγορές όπως drones, αεροδιαστημική και άμυνα το 2024–2025 lyten.com. Η Lyten ισχυρίζεται ότι οι μπαταρίες Li-S της είναι 40% ελαφρύτερες από τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου (και 60% ελαφρύτερες από τις μπαταρίες σιδήρου-φωσφόρου), ενώ είναι φθηνότερες σε μεγάλη κλίμακα λόγω της εξάλειψης του νικελίου, του κοβαλτίου και άλλων ακριβών υλικών lyten.com. Μια άλλη εταιρεία, η Theion (Γερμανία), εργάζεται πάνω σε καθόδους κρυσταλλικού θείου και πρόσφατα ανέφερε κυψέλες Li-S με 3× την ενεργειακή πυκνότητα των ιόντων λιθίου, με μόλις το ένα τρίτο του κόστους, και ενδεχομένως το ένα τρίτο των εκπομπών κατά την παραγωγή reuters.com. Ο CEO της Theion, Ulrich Ehmes, δήλωσε ότι οι μπαταρίες τους – που αποφεύγουν τα προβλήματα διάβρωσης χρησιμοποιώντας μια σταθερή μορφή θείου και έναν προ-διευρυμένο σχεδιασμό – θα μπορούσαν να βρίσκονται σε ηλεκτρικά οχήματα «πριν το τέλος της δεκαετίας» αν η ανάπτυξη παραμείνει εντός χρονοδιαγράμματος reuters.com. Εν ολίγοις, οι μπαταρίες λιθίου-θείου βρίσκονται στο κατώφλι της μετάβασης από το εργαστήριο στην αγορά, υποσχόμενες υπερ-ελαφριές, υψηλής ενέργειας συστοιχίες για εφαρμογές όπου κάθε κιλό μετράει (ηλεκτρικά αεροσκάφη, ηλεκτρικά οχήματα μεγάλης εμβέλειας, διάστημα).
• Μπαταρίες Νατρίου-Θείου (Na-S): Το νάτριο και το θείο μπορεί να ακούγονται ως ένα απίθανο ζευγάρι (το νάτριο είναι εξαιρετικά αντιδραστικό, και οι πρώιμες μπαταρίες Na-S λειτουργούσαν ζεστές στους 300°C), αλλά αυτή η χημεία έχει μακρά ιστορία στην αποθήκευση ενέργειας δικτύου. Οι υψηλής θερμοκρασίας μπαταρίες Na-S έχουν χρησιμοποιηθεί για δεκαετίες σε αποθήκευση ενέργειας σε επίπεδο κοινής ωφέλειας (ιδιαίτερα από την NGK στην Ιαπωνία) – λειτουργούν με λιωμένο νάτριο και θείο που διαχωρίζονται από έναν στερεό κεραμικό ηλεκτρολύτη, προσφέροντας καλή απόδοση και μακροζωία για σταθερή αποθήκευση. Ωστόσο, η ανάγκη να διατηρούνται στους ~300 °C περιόρισε την ευρύτερη υιοθέτηση. Πρόσφατα, υπάρχει ενθουσιασμός για τις μπαταρίες νατρίου-θείου σε θερμοκρασία δωματίου που θα μπορούσαν να προσφέρουν μια οικονομική, ασφαλή εναλλακτική λύση για αποθήκευση μεγάλης κλίμακας. Στα τέλη του 2022, μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ ανακοίνωσε μια «χαμηλού κόστους μπαταρία με τετραπλάσια χωρητικότητα από τις ιόντων λιθίου» χρησιμοποιώντας ένα νέο σχέδιο Na-S σε θερμοκρασία δωματίου sydney.edu.au. Χρησιμοποιώντας ένα πορώδες ηλεκτρόδιο άνθρακα και μια απλή θερμική επεξεργασία (πυρόλυση) για να δημιουργήσουν μια πιο δραστική μορφή θείου, πέτυχαν υπερ-υψηλή χωρητικότητα και εξαιρετικά μεγάλη διάρκεια ζωής σε θερμοκρασία δωματίου, ξεπερνώντας την προηγούμενη «αργή» απόδοση των Na-S sydney.edu.au. Ο επικεφαλής ερευνητής Dr. Shenlong Zhao δήλωσε ότι αυτή η μπαταρία νατρίου-θείου «έχει τη δυνατότητα να μειώσει δραματικά το κόστος παρέχοντας τετραπλάσια χωρητικότητα αποθήκευσης. Αυτό είναι μια σημαντική πρόοδος για την ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας…» sydney.edu.au. Πράγματι, το νάτριο και το θείο είναι ακόμη πιο άφθονα και φθηνά από το λίθιο, οπότε μια επιτυχημένη μπαταρία Na-S θα μπορούσε να αποτελέσει ευλογία για την αποθήκευση ενέργειας δικτύου – επιτρέποντας μεγάλες μπαταρίες για αιολικά/ηλιακά πάρκα με ελάχιστο κόστος. Αν και τα στοιχεία Na-S δεν ανταγωνίζονται τα ιόντων λιθίου για τις ανάγκες συμπαγών ηλεκτρικών οχημάτων (το νάτριο είναι βαρύτερο και αυτά τα στοιχεία είναι προς το παρόν μεγαλύτερου μεγέθους), θα μπορούσαν να γίνουν κρίσιμο κομμάτι της καθαρής ενεργειακής υποδομής, προσφέροντας ασφαλή και οικονομική αποθήκευση για όταν ο ήλιος δεν λάμπει ή ο άνεμος δεν φυσά sydney.edu.au. Η έρευνα συνεχίζεται παγκοσμίως (Κίνα, Αυστραλία, Ευρώπη) για τη βελτίωση των μπαταριών Na-S θερμοκρασίας δωματίου για εμπορική αξιοποίηση.
• Άλλες Μπαταρίες με Βάση το Θείο: Πέρα από τις Li-S και Na-S, οι ερευνητές έχουν πειραματιστεί με καθόδους θείου σε συνδυασμό με άλλα μέταλλα όπως το μαγνήσιο ή το ασβέστιο, και ακόμη και με το συνδυασμό θείου με αλουμίνιο (όπως συζητήθηκε νωρίτερα). Αυτές οι μπαταρίες μετάλλου–θείου με πολυσθενή μέταλλα (όπου το ιόν του μετάλλου φέρει περισσότερα από ένα φορτία, π.χ. Al³⁺ ή Mg²⁺) είναι ελκυστικές για τον ίδιο λόγο με το αλουμίνιο ή το θείο μεμονωμένα – αφθονία και υψηλή χωρητικότητα – αλλά αντιμετωπίζουν ακόμη πιο περίπλοκη χημεία και βρίσκονται κυρίως σε πρώιμα στάδια έρευνας advanced.onlinelibrary.wiley.com. Για παράδειγμα, τα στοιχεία μαγνησίου-θείου αντιμετωπίζουν δυσκολίες στη συμβατότητα του ηλεκτρολύτη και αργή κινητική. Στερεάς κατάστασης μπαταρίες θείου είναι μια ακόμη πρωτοποριακή παραλλαγή: με τη χρήση στερεού ηλεκτρολύτη (συχνά θειούχου ή πολυμερούς), οι επιστήμονες στοχεύουν να δημιουργήσουν στοιχεία Li-S που είναι ασφαλέστερα (χωρίς εύφλεκτο υγρό) και που καταστέλλουν πλήρως το φαινόμενο polysulfide shuttle onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. Η NASA αναπτύσσει ενεργά μια στερεάς κατάστασης μπαταρία λιθίου-θείου (έργο SABERS) χρησιμοποιώντας καθόδου θείου-σεληνίου και έναν καινοτόμο στερεό ηλεκτρολύτη, φτάνοντας ενεργειακές πυκνότητες ~500 Wh/kg κατάλληλες για ηλεκτρική αεροπορία businessaviation.aero. Η γοητεία του θείου – ελαφρύ, άφθονο, ισχυρό – το έχει τοποθετήσει στο επίκεντρο πολλών μελλοντικών ιδεών για μπαταρίες.

Έχοντας καλύψει το τοπίο των τύπων μπαταριών αλουμινίου και θείου, μπορούμε τώρα να συγκρίνουμε πώς αυτές οι τεχνολογίες στέκονται απέναντι στην κυρίαρχη λιθίου-ιόντων και ποια μοναδικά οφέλη προσφέρουν.

Βασικά Οφέλη και Πλεονεκτήματα σε Σχέση με τις Μπαταρίες Λιθίου-Ιόντων

Τόσο οι μπαταρίες με βάση το αλουμίνιο όσο και αυτές με βάση το θείο υπόσχονται σημαντικά πλεονεκτήματα σε κόστος, βιωσιμότητα και απόδοση, εφόσον συνεχιστεί επιτυχώς η ανάπτυξή τους. Εδώ είναι τα βασικά οφέλη:

• 🌎 Άφθονα, Χαμηλού Κόστους Υλικά: Το αλουμίνιο και το θείο είναι φθηνά και άφθονα σχεδόν παντού. Το αλουμίνιο είναι το πιο άφθονο μέταλλο στον φλοιό της γης και το θείο είναι ένα κοινό παραπροϊόν της διύλισης. Αυτό σημαίνει ότι το κόστος των υλικών μπορεί να είναι δραστικά χαμηλότερο. Μια αναφορά του Science σημείωσε ότι οι πρώτες ύλες για μια μπαταρία αλουμινίου-θείου θα μπορούσαν να είναι 85% φθηνότερες από αυτές των μπαταριών ιόντων λιθίου news.mit.edu. Η Theion (μια startup μπαταριών θείου) ισχυρίζεται παρομοίως ότι τα στοιχεία τους θα κοστίζουν μόνο το ένα τρίτο σε σχέση με τα στοιχεία Li-ion reuters.com. Με τα λόγια του Sadoway, αυτές οι μπαταρίες είναι «ηθικά προερχόμενες, φθηνές, [και] αποτελεσματικές» news.mit.edu – αποφεύγουν ακριβά μέταλλα που συχνά συνδέονται με προβληματική εξόρυξη. Η χρήση άφθονων πόρων σημαίνει επίσης λιγότερα σημεία συμφόρησης στην αλυσίδα εφοδιασμού· δεν θα αντιμετωπίσουμε ελλείψεις λιθίου ή κοβαλτίου αν οι μπαταρίες αλουμινίου-θείου επικρατήσουν.
• 🔥 Βελτιωμένη Ασφάλεια (Μη Εύφλεκτες): Πολλές μπαταρίες αλουμινίου/θείου νέας γενιάς έχουν σχεδιαστεί ώστε να είναι πολύ πιο ασφαλείς. Αντί για εύφλεκτους οργανικούς ηλεκτρολύτες, μπορεί να χρησιμοποιούν ανόργανα τήγματα αλάτων ή στερεούς ηλεκτρολύτες που δεν αναφλέγονται news.mit.edu. Κελιά αλουμινίου-ιόντων και αλουμινίου-θείου που παρουσιάστηκαν από τα Stanford και MIT «δεν θα πιάσουν φωτιά, ακόμα κι αν τα τρυπήσετε» ή λειτουργούν σε υψηλή θερμοκρασία news.stanford.edu, news.mit.edu. Ομοίως, οι καθόδους θείου σε συνδυασμό με στερεούς ή ζελατινώδεις ηλεκτρολύτες μπορούν να αντιστέκονται καλύτερα στη θερμική διαφυγή σε σχέση με τις συμβατικές Li-ion. Το σύστημα αλουμινίου-αέρα της Phinergy είναι εγγενώς μη καύσιμο και «ασφαλές, μη εύφλεκτο» κατά τη λειτουργία evreporter.com. Η αυξημένη ασφάλεια όχι μόνο προστατεύει τους χρήστες, αλλά και απλοποιεί τη μεταφορά και την κατασκευή (δεν απαιτείται ακριβή ψύξη ή καταστολή πυρκαγιάς στα πακέτα μπαταριών).
• ⚡ Υψηλή Ενεργειακή Πυκνότητα & Ελαφρύ Βάρος: Και οι δύο χημείες προσφέρουν τη δυνατότητα για υψηλότερη αποθήκευση ενέργειας ανά βάρος σε σχέση με τις σημερινές μπαταρίες. Οι μπαταρίες λιθίου-θείου, για παράδειγμα, έχουν επιτύχει ~500 Wh/kg σε πρωτότυπα businessaviation.aero – περίπου το διπλάσιο από τις καλύτερες Li-ion, επιτρέποντας πολύ ελαφρύτερα πακέτα μπαταριών. Η Lyten αναφέρει ότι τα Li-S στοιχεία της θα είναι έως και 40% ελαφρύτερα από τα Li-ion για την ίδια ενέργεια lyten.com. Η Theion στοχεύει σε 3x την ενεργειακή πυκνότητα των Li-ion reuters.com. Για ηλεκτρικά οχήματα και αεροσκάφη, αυτό θα μπορούσε να μεταφραστεί σε μεγαλύτερη αυτονομία ή υψηλότερο ωφέλιμο φορτίο για το ίδιο βάρος μπαταρίας. Οι αλουμινίου-αέρα έχουν εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (χρησιμοποιήθηκε για να καταγραφεί ρεκόρ διαδρομής 1.100 μιλίων EV με μία μόνο “δεξαμενή” αλουμινίου-αέρα πριν λίγα χρόνια), αν και απαιτείται ανεφοδιασμός. Ακόμα και οι μπαταρίες αλουμινίου-ιόντων, αν και χαμηλότερες σε θεωρητική ενέργεια από τις Li-S, μπορούν να διαπρέψουν σε πυκνότητα ισχύος – το στοιχείο του Stanford μπορούσε να φορτίσει πλήρως σε ένα λεπτό news.stanford.edu, υποδηλώνοντας μπαταρίες που επαναφορτίζονται τόσο γρήγορα όσο το γέμισμα ενός ρεζερβουάρ βενζίνης. Εν ολίγοις, αυτές οι τεχνολογίες θα μπορούσαν να προσφέρουν είτε πολύ περισσότερη ενέργεια (για μακράς διάρκειας χρήση) είτε πολύ ταχύτερους ρυθμούς εκφόρτισης/φόρτισης από τις Li-ion, ή και τα δύο.
• 🔋 Δυνατότητα Μεγάλης Διάρκειας Κύκλου Ζωής: Με σωστό σχεδιασμό, οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου θα μπορούσαν να διαρκέσουν όσο ή και περισσότερο από τις Li-ion. Οι ανόδοι μετάλλου αλουμινίου δεν σχηματίζουν το ίδιο είδος δενδριτών με το λίθιο (ειδικά με τα κατάλληλα ηλεκτρολύτες) news.mit.edu, οπότε μπορούν να είναι πολύ ανθεκτικές. Το στοιχείο Al-ion του Stanford άντεξε πάνω από 7.500 κύκλους (μια τάξη μεγέθους παραπάνω από τις Li-ion) news.stanford.edu. Τα στοιχεία θείου ιστορικά είχαν μικρή διάρκεια κύκλου, αλλά νέοι σχεδιασμοί (ενδιάμεσα στρώματα, στερεάς κατάστασης, κ.λπ.) επιτυγχάνουν εκατοντάδες ή χιλιάδες κύκλους με ελάχιστη απώλεια anl.gov, nature.com. Για σταθερή αποθήκευση, μια μπαταρία που λειτουργεί αξιόπιστα κάθε μέρα για 10+ χρόνια είναι κρίσιμη, και οι προγραμματιστές αυτών των χημειών εστιάζουν έντονα στη σταθερότητα.
♻️ Περιβαλλοντικά & Ηθικά Οφέλη: Επειδή χρησιμοποιούν ευρέως διαθέσιμα υλικά, αυτές οι μπαταρίες αποφεύγουν τη περιβαλλοντική ζημιά που σχετίζεται με την εξόρυξη και επεξεργασία σπάνιων μετάλλων όπως το κοβάλτιο, το νικέλιο και το λίθιο. Υπάρχει επίσης μείωση στο ενσωματωμένο ανθρακικό αποτύπωμα της μπαταρίας. Η Theion εκτιμά ότι τα κυψέλες μπαταριών θείου τους θα εκπέμπουν μόνο το ένα τρίτο του CO₂ κατά την παραγωγή σε σύγκριση με τις κυψέλες ιόντων λιθίου reuters.com. Το θείο είναι συχνά παραπροϊόν (εκατομμύρια τόνοι βρίσκονται σε αποθέματα), οπότε η χρήση του σε μπαταρίες είναι ουσιαστικά ανακύκλωση βιομηχανικών αποβλήτων. Το αλουμίνιο είναι επίσης ιδιαίτερα ανακυκλώσιμο – μια υπάρχουσα παγκόσμια υποδομή ανακύκλωσης θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για την ανάκτηση αλουμινίου από χρησιμοποιημένες μπαταρίες εύκολα. Ηθικά, η χρήση θείου και αλουμινίου παρακάμπτει τα ζητήματα παιδικής εργασίας και ανθρωπίνων δικαιωμάτων που έχουν ταλαιπωρήσει την εξόρυξη κοβαλτίου. Όλοι αυτοί οι παράγοντες σημαίνουν ότι οι μπαταρίες επόμενης γενιάς θα μπορούσαν να είναι πιο βιώσιμες και κοινωνικά υπεύθυνες σε όλο τον κύκλο ζωής τους.
• 💡 Γρήγορη Φόρτιση και Υψηλή Ισχύς: Ορισμένα σχέδια αλουμινίου/θείου επιδεικνύουν υπερ-γρήγορη φόρτιση. Έχουμε αναφέρει τη φόρτιση σε 60 δευτερόλεπτα σε εργαστηριακές δοκιμές news.stanford.edu. Επιπλέον, οι κυψέλες αλουμινίου-θείου στο εργαστήριο έχουν λειτουργήσει σε πολύ υψηλούς ρυθμούς φόρτισης (π.χ. φόρτιση στο 1C ή παραπάνω σε αυξημένη θερμοκρασία με εξαιρετική διατήρηση) nature.com. Το αλουμίνιο-αέρα μπορεί να «επαναφορτιστεί» άμεσα με την αντικατάσταση του αλουμινίου. Αυτά τα χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να μετριάσουν ένα από τα μεγαλύτερα παράπονα των καταναλωτών για τα ηλεκτρικά οχήματα και τα γκάτζετ – τους μεγάλους χρόνους φόρτισης – και επίσης να παρέχουν υψηλή ισχύ όταν χρειάζεται (φανταστείτε εργαλεία ή ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρίες αλουμινίου που προσφέρουν ισχυρή απόδοση χωρίς πτώση τάσης).

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι δεν ισχύουν όλα αυτά τα οφέλη εξίσου για όλες τις παραλλαγές (για παράδειγμα, το αλουμίνιο-αέρα προσφέρει μεγάλη ενέργεια αλλά δεν είναι ηλεκτρικά επαναφορτιζόμενο· το αλουμίνιο-ιόν φορτίζει γρήγορα αλλά έχει χαμηλότερη τάση· το Li-S είναι πολύ ελαφρύ αλλά προς το παρόν έχει μέτρια διάρκεια κύκλου). Ωστόσο, η συνολική υπόσχεση των μπαταριών αλουμινίου και θείου είναι ότι μπορούμε να μειώσουμε δραματικά το κόστος και την εξάρτηση από σπάνια υλικά προσφέροντας ίση ή καλύτερη απόδοση σε βασικούς τομείς ασφάλειας, ενέργειας και ισχύος.

Προκλήσεις και Τεχνικά Εμπόδια

Αν οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου είναι τόσο καλές, γιατί δεν είναι παντού ακόμα; Η αλήθεια είναι ότι αυτές οι τεχνολογίες αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις που οι ερευνητές και οι μηχανικοί εξακολουθούν να προσπαθούν να ξεπεράσουν:

• Πρόβλημα μεταφοράς πολυσουλφιδίων και υποβάθμιση καθόδου (Θέματα Θείου): Στις μπαταρίες λιθίου-θείου και άλλες μπαταρίες με κάθοδο θείου, το διαβόητο πρόβλημα της μεταφοράς πολυσουλφιδίων υπήρξε ανασταλτικός παράγοντας. Καθώς η μπαταρία εκτελεί κύκλους, το θείο περνά από ενδιάμεσα στάδια που μπορούν να διαλυθούν στον ηλεκτρολύτη και να μετακινηθούν προς την άνοδο, προκαλώντας αυτοεκφόρτιση, απώλεια ενεργού υλικού και ακόμη και επιβλαβείς αντιδράσεις με την άνοδο anl.gov. Αυτό οδηγεί σε ταχεία μείωση της χωρητικότητας. Επιπλέον, οι κάθοδοι θείου τείνουν να διογκώνονται και να συστέλλονται σημαντικά (έως και ~80% μεταβολή όγκου) καθώς μετατρέπονται σε θειούχο λίθιο και αντίστροφα reuters.com. Αυτή η «αναπνοή» μπορεί με τον καιρό να θρυμματίσει την κάθοδο ή να την αποκολλήσει από τους συλλέκτες ρεύματος. Αν και νέες στρατηγικές (όπως η προσθήκη προστατευτικών ενδιάμεσων στρωμάτων anl.gov, η χρήση νανοδομημένων ανθρακικών υποδοχέων ή στερεών ηλεκτρολυτών) έχουν μετριάσει αυτά τα προβλήματα, η διασφάλιση ότι μια μπαταρία θείου μπορεί να διαρκέσει εκατοντάδες κύκλους σε πραγματικές συνθήκες παραμένει βασική πρόκληση.
• Δενδρίτες και προβλήματα επιμετάλλωσης (Μεταλλικές Άνοδοι): Οι άνοδοι από αλουμίνιο, όπως και άλλες μεταλλικές άνοδοι, μπορούν να σχηματίσουν δενδρίτες (λεπτά, αγώγιμα νημάτια) κατά τη φόρτιση, που ενέχουν κίνδυνο βραχυκυκλώματος του στοιχείου. Στην πραγματικότητα, ένας βασικός λόγος που οι μπαταρίες αλουμινίου για καιρό απέτυχαν ήταν ότι κανείς δεν μπορούσε να πετύχει αξιόπιστα επαναλαμβανόμενη επιμετάλλωση/απογύμνωση του αλουμινίου – συχνά σχηματιζόταν μια «βρυώδης» εναπόθεση ή απενεργοποιούνταν λόγω σχηματισμού επιφανειακού οξειδίου. Τα ιοντικά υγρά και οι ηλεκτρολύτες λιωμένου άλατος έχουν συμβάλει σημαντικά στο να «δαμάσουν» αυτό το πρόβλημα (με μία ομάδα να αναφέρει ότι η μπαταρία Al με λιωμένο άλας «ποτέ δεν έχασε στοιχεία λόγω βραχυκυκλώματος από δενδρίτες» σε δοκιμές ταχείας φόρτισης news.mit.edu). Όμως, αν χρησιμοποιούνταν πιο συμβατικός ηλεκτρολύτης, οι δενδρίτες ή οι πλευρικές αντιδράσεις με το οξείδιο του αλουμινίου θα μπορούσαν να είναι προβληματικές. Παρομοίως, αν χρησιμοποιηθεί μέταλλο λιθίου ως άνοδος σε μπαταρίες θείου (σύνηθες στις σχεδιάσεις Li-S), προκύπτουν δενδρίτες λιθίου και ζητήματα ασφάλειας, ειδικά με υγρούς ηλεκτρολύτες. Οι ερευνητές συχνά συνδυάζουν τις Li-S με προστατευτικές μεμβράνες ή στερεές διατάξεις για να αποτρέψουν τους δενδρίτες λιθίου.
• Χαμηλή Τάση Λειτουργίας και Ενεργειακή Απόδοση (Ιόντα Αλουμινίου): Οι μπαταρίες ιόντων αλουμινίου, ειδικά εκείνες που χρησιμοποιούν διεστρακτική λειτουργία (π.χ. καθόδους γραφίτη), έχουν συνήθως χαμηλότερη τάση κυψέλης από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Η διάσημη κυψέλη ιόντων αλουμινίου του Stanford παρήγαγε περίπου 2,0 βολτ news.stanford.edu, ενώ μια κυψέλη ιόντων λιθίου έχει ονομαστική τάση ~3,7 V. Αυτό οφείλεται εν μέρει στη χημεία της διεστρακτικής λειτουργίας του Al³⁺ και στους περιορισμούς του ηλεκτρολύτη. Η χαμηλότερη τάση σημαίνει ότι χρειάζεστε περισσότερες κυψέλες σε σειρά (προσθέτοντας πολυπλοκότητα και κάποια απώλεια ενέργειας) για να φτάσετε στην επιθυμητή τάση πακέτου μπαταρίας. Υπάρχει επίσης το ζήτημα των πολυσθενών ιόντων όπως το Al³⁺ που έχουν αργή κινητική σε στερεά – η μετακίνηση ενός ιόντος με φορτίο +3 είναι πιο δύσκολη από ένα ιόν +1 όπως το Li⁺, οπότε η επίτευξη υψηλής ισχύος μπορεί να είναι δύσκολη εκτός αν αυξηθεί η θερμοκρασία ή χρησιμοποιηθούν ειδικοί ηλεκτρολύτες nature.com. Ορισμένες μπαταρίες αλουμινίου λειτουργούν καλά μόνο σε αυξημένες θερμοκρασίες (60–100 °C) κάτι που θα μπορούσε να περιπλέξει τη χρήση τους σε καταναλωτικά ηλεκτρονικά (κανείς δεν θέλει μια συνεχώς ζεστή μπαταρία στο τηλέφωνό του!). Τα καλά νέα: καινοτομίες στους ηλεκτρολύτες (όπως η προσθήκη ορισμένων αλάτων ή η χρήση νέων μειγμάτων) βελτιώνουν την αγωγιμότητα των ιόντων αλουμινίου σε χαμηλότερες θερμοκρασίες nature.com.
• Απαιτήσεις Θερμοκρασίας: Όπως αναφέρθηκε, αρκετά σχέδια με βάση το αλουμίνιο και το νάτριο χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτες τήγματος αλάτων που πρέπει να διατηρούνται ζεστοί. Για παράδειγμα, η μπαταρία αλουμινίου-θείου του MIT λειτουργεί βέλτιστα περίπου στους 110 °C news.mit.edu, και ακόμη και η βελτιωμένη εκδοχή λειτουργεί στους 85 °C nature.com. Αν και αυτές οι θερμοκρασίες δεν θεωρούνται υπερβολικές για βιομηχανικά πρότυπα, σημαίνει ότι ένα πακέτο μπαταρίας θα χρειαστεί μόνωση και ίσως μια μικρή θερμάστρα για να παραμείνει στη σωστή περιοχή. Αυτό είναι εντάξει για σταθερή αποθήκευση (όπου μια μπαταρία μεγέθους ψυγείου μπορεί να έχει θερμική διαχείριση) αλλά αποτελεί πρόκληση για φορητές εφαρμογές και ηλεκτρικά οχήματα εκτός αν η θερμότητα μπορεί να διατηρηθεί αυτόνομα (η κυψέλη του Sadoway στην πραγματικότητα αυτοθερμαίνεται κατά τη διάρκεια των κύκλων για να διατηρεί τη θερμοκρασία news.mit.edu). Η λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες απαιτεί επίσης ανθεκτική σφράγιση και προσεκτική ασφάλεια (αν και το θετικό είναι ότι δεν υπάρχει κίνδυνος φωτιάς). Οι ερευνητές εργάζονται για να μειώσουν τις θερμοκρασίες λειτουργίας και εξερευνούν ακόμη και χημείες που λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου τόσο για συστήματα με βάση το Al όσο και το Na nature.com.
• Υποδομή φόρτισης και «ανεφοδιασμός» (Al-Air): Μοναδικό στα συστήματα αλουμινίου-αέρα (και παρόμοια μεταλλο-αέρα) είναι το ζήτημα ότι δεν επαναφορτίζονται απλώς με σύνδεση σε φορτιστή. Πρέπει να αντικαταστήσετε ή να ανακυκλώσετε την ανόδη αλουμινίου μόλις εξαντληθεί. Αυτό απαιτεί τη δημιουργία ολόκληρης υποδομής για την ανταλλαγή πλακών ή φυσιγγίων αλουμινίου, τη συλλογή των χρησιμοποιημένων και την ανακύκλωση του αλουμινίου (πιθανώς μέσω μιας διαδικασίας τήξης που τροφοδοτείται με ηλεκτρισμό, ουσιαστικά «επαναφορτίζοντας» το αλουμίνιο). Η Indian Oil και η Phinergy εργάζονται ενεργά σε αυτό το οικοσύστημα evreporter.com, αλλά πρόκειται για ένα διαφορετικό παράδειγμα από τα πρατήρια καυσίμων ή τους σταθμούς φόρτισης. Χωρίς ευρεία υποστήριξη, το αλουμίνιο-αέρα ενδέχεται να παραμείνει εξειδικευμένο. Επιπλέον, το παραπροϊόν του αλουμινίου-αέρα (υδροξείδιο του αλουμινίου) πρέπει να διαχειριστεί – αν και μπορεί να ανακυκλωθεί σε νέο αλουμίνιο ή άλλα προϊόντα.
• Αύξηση κλίμακας παραγωγής και ενσωμάτωση: Η τεχνολογία ιόντων λιθίου έχει προβάδισμα 30 ετών με τεράστια κλίμακα παραγωγής, βελτιστοποιημένες εφοδιαστικές αλυσίδες και καλά εκπαιδευμένο εργατικό δυναμικό. Κάθε νέα χημεία μπαταρίας αντιμετωπίζει το εμπόδιο της μετάβασης από το εργαστήριο ή την πιλοτική κλίμακα στη βιομηχανική κλίμακα. Οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου μπορεί να απαιτούν νέες διαδικασίες παραγωγής (για παράδειγμα, διαχείριση υγρών ιόντων ευαίσθητων στην υγρασία ή στερεών ηλεκτρολυτών, ή νέων σχεδίων κυψελών όπως τα στοιβαγμένα ηλεκτρόδια της Theion). Η αύξηση της παραγωγής χωρίς ελαττώματα και με χαμηλό κόστος δεν είναι απλή υπόθεση. Υπάρχει επίσης το ζήτημα της ενσωμάτωσης – μπορούν αυτές οι νέες μπαταρίες να τοποθετηθούν σε υπάρχουσες συσκευές ή οχήματα, ή απαιτούν νέους σχεδιασμούς; Διαφορετικά προφίλ τάσης, μορφές ή συνθήκες λειτουργίας μπορεί να σημαίνουν ανασχεδιασμό από τα συστήματα διαχείρισης μπαταριών μέχρι το σασί των αυτοκινήτων. Αυτά τα μεταβατικά κόστη και οι αβεβαιότητες μπορούν να επιβραδύνουν την υιοθέτηση.
• Τρέχουσα κατάσταση (Ετοιμότητα Τεχνολογίας): Ενώ το 2024 και το 2025 έχουν δει μεγάλες ανακαλύψεις (όπως θα τονίσουμε στη συνέχεια), πολλές τεχνολογίες μπαταριών αλουμινίου και θείου βρίσκονται ακόμη στο πρωτότυπο ή πρώιμο εμπορικό στάδιο. Καμία δεν έχει ακόμη δει το είδος της μαζικής ανάπτυξης που απολαμβάνει το ιόντων λιθίου. Για παράδειγμα, τα στοιχεία λιθίου-θείου μόλις τώρα εισέρχονται σε περιορισμένες αγορές όπως τα drones και οι δορυφόροι, όπου η μικρή διάρκεια ζωής τους μπορεί να γίνει ανεκτή ή να μετριαστεί. Οι μπαταρίες αλουμινίου-θείου και αλουμινίου-ιόντων βρίσκονται στη φάση επίδειξης και αύξησης κλίμακας· κανένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο ή δίκτυο δεν έχει ακόμη ένα μεγάλο σε πλήρη λειτουργία. Αυτό σημαίνει ότι εξακολουθεί να υπάρχει ο κίνδυνος να εμφανιστούν απρόβλεπτα προβλήματα στη χρήση στον πραγματικό κόσμο (σκεφτείτε πώς τα ιόντων λιθίου αντιμετώπισαν περιστατικά θερμικής διαφυγής στην αρχή). Θα χρειαστεί χρόνος, επενδύσεις και πιθανότατα μερικές επαναλήψεις πριν αυτές οι τεχνολογίες γίνουν τόσο αξιόπιστες όσο οι υπάρχουσες. Μια σκεπτικιστική σημείωση: και τα ιόντων λιθίου βελτιώνονται κάθε χρόνο – με νέες χημείες όπως το φωσφορικό σίδηρο λιθίου (LFP) και το στερεάς κατάστασης λιθίου-μετάλλου στον ορίζοντα – οπότε οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου πρέπει όχι μόνο να λειτουργούν, αλλά και να ανταγωνίζονται έναν συνεχώς βελτιούμενο αντίπαλο.

Συνοψίζοντας, οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου έχουν τεράστιες προοπτικές αλλά παρουσιάζουν και μοναδικές προκλήσεις. Οι ερευνητές είναι ειλικρινείς ότι απαιτείται περαιτέρω δουλειά· όπως έγραψε μια ομάδα το 2022, παρά την πρόοδο, «Οι μπαταρίες Al–S έχουν υποφέρει από χαμηλή ικανότητα ρυθμού και σταθερότητα κύκλων» ιστορικά, απαιτώντας συνεχή καινοτομία σε ηλεκτρολύτες και ηλεκτρόδια nature.com. Η υπέρβαση αυτών των προκλήσεων είναι ακριβώς αυτό στο οποίο επικεντρώνονται πολλά εργαστήρια και νεοφυείς επιχειρήσεις αυτή τη στιγμή.

Ποιος Ηγείται της Προσπάθειας; Κύριοι Παίκτες στην Ανάπτυξη

Αυτός ο συναρπαστικός τομέας έχει ένα μείγμα από ακαδημαϊκά εργαστήρια, νεοφυείς επιχειρήσεις και βιομηχανικούς κολοσσούς που ωθούν τα όρια. Εδώ είναι μερικοί από τους σημαντικούς παίκτες και τι κάνουν:

• Ινστιτούτο Τεχνολογίας Μασαχουσέτης (MIT) & Avanti: Το MIT αποτελεί εστία καινοτόμου έρευνας για τις μπαταρίες. Η ομάδα του καθηγητή Donald Sadoway στο MIT ηγήθηκε της ιδέας της μπαταρίας αλουμινίου-θείου. Αφού δημοσίευσε τα πρωτοποριακά αποτελέσματα στο Nature το 2022, ο Sadoway συνίδρυσε την Avanti για να εμπορευματοποιήσει την τεχνολογία news.mit.edu. Στόχος της Avanti είναι να αυξήσει την παραγωγή κυψελών αλουμινίου-θείου για σταθερή αποθήκευση και πέραν αυτής. Ο Sadoway είναι γνωστός και για τη συνίδρυση της Ambri, μιας εταιρείας που εμπορευματοποιεί μπαταρίες υγρού μετάλλου (με διαφορετικές χημείες όπως ασβέστιο και αντιμόνιο). Η Ambri στοχεύει στην αποθήκευση σε κλίμακα δικτύου και αναφέρθηκε ότι θα αναπτύξει συστήματα το 2024 youtube.com. Μεταξύ Ambri και Avanti, οι καινοτομίες του Sadoway θα μπορούσαν να καλύψουν μεγάλες μπαταρίες κοινής ωφέλειας έως και μικρότερες μπαταρίες για κτίρια ή σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων news.mit.edu. Η επιρροή του MIT δεν σταματά εκεί – οι ερευνητές του εξερευνούν επίσης τις μπαταρίες λιθίου-θείου σε έργα, και το ινστιτούτο συχνά συνεργάζεται με εθνικά εργαστήρια και εταιρείες σε τεχνολογίες αιχμής για μπαταρίες.
• Πανεπιστήμιο Stanford & SLAC: Το Stanford έκανε νωρίς αίσθηση στις μπαταρίες αλουμινίου-ιόντων (το πρωτότυπο Al-ion ταχείας φόρτισης του 2015 news.stanford.edu). Αυτή η εργασία, υπό την καθοδήγηση του καθηγητή Hongjie Dai, έδειξε ότι μια απλή καθοδική γραφίτη θα μπορούσε να επιτρέψει μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία αλουμινίου. Το Stanford συνεχίζει να κάνει έρευνα στις μπαταρίες· για παράδειγμα, το SLAC (το Stanford Linear Accelerator Lab) έχει μελετήσει νέες καθόδους για μπαταρίες αλουμινίου όπως τα μεταλλικά θειούχα nature.com, και έχει ερευνήσει τη διασύνδεση χημείας για τη βελτίωση του κύκλου ζωής. Αν και η ανακάλυψη του Stanford το 2015 δεν έχει ακόμη μετατραπεί σε εμπορικό προϊόν, απέδειξε τη βιωσιμότητα και έχει αναφερθεί σε πολλές επόμενες μελέτες. Επίσης, υπογράμμισε το ήθος του Stanford για ανοιχτή έρευνα που οδηγεί σε υιοθέτηση από τη βιομηχανία (ορισμένοι απόφοιτοι του Stanford στον τομέα των μπαταριών έχουν ενταχθεί σε startups ή έχουν δημιουργήσει τις δικές τους στη σκηνή των startups μπαταριών της Bay Area).
• Graphene Manufacturing Group (GMG) & Πανεπιστήμιο Queensland: Στην Αυστραλία, η GMG (σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Queensland) έχει αναπτύξει μια Μπαταρία Αλουμινίου-Ιόντων Γραφενίου. Έχουν αναφέρει εντυπωσιακές επιδόσεις σε πρωτότυπα coin-cell – με εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση και μεγάλη διάρκεια ζωής κύκλου – χρησιμοποιώντας γραφένιο (μια μορφή άνθρακα) ως καθοδικό υλικό σε διαμόρφωση αλουμινίου-ιόντων batteriesnews.com. Η GMG στοχεύει να κλιμακώσει την τεχνολογία της σε pouch cells κατάλληλα για καταναλωτικά ηλεκτρονικά ή ηλεκτρικά οχήματα, και στα τέλη του 2022 είχε σε εξέλιξη πρόγραμμα ανάπτυξης και πιλοτική γραμμή παραγωγής graphenemg.com. Η προσέγγισή τους υπογραμμίζει τη συνέργεια των νανο-υλικών (γραφένιο) με νέες χημείες όπως το αλουμίνιο-ιόντα για καλύτερα αποτελέσματα.
• Phinergy και Indian Oil (IOC): Η Phinergy είναι μια ισραηλινή startup που πρωτοπορεί στις μπαταρίες αλουμινίου-αέρα για πάνω από μια δεκαετία. Έγινε γνωστή όταν το 2014 τροφοδότησε ένα demo αυτοκίνητο για 1.100 μίλια χρησιμοποιώντας αλουμίνιο-αέρα, και από τότε έχει επικεντρωθεί σε πραγματικά προϊόντα για εφεδρική ενέργεια και επέκταση αυτονομίας ηλεκτρικών οχημάτων. Η Phinergy συνεργάστηκε με την Indian Oil Corporation για να δημιουργήσει μια κοινοπραξία (IOC Phinergy) που φέρνει την τεχνολογία αλουμινίου-αέρα στην ινδική αγορά – μια αγορά με τεράστιες δυνατότητες για μια χώρα που αναζητά εναλλακτικές λύσεις στο πετρέλαιο και θέλει να αξιοποιήσει τη βιομηχανία αλουμινίου της. Στις αρχές του 2023, η IOC Phinergy παρουσίασε το πρώτο όχημα στην Ινδία που κινείται με αλουμίνιο-αέρα και ετοίμαζε υποδομές για την κατασκευή και ανακύκλωση πλακών alcircle.com. Η ινδική κυβέρνηση έχει επίσης δείξει ενδιαφέρον, καθώς η τεχνολογία αλουμινίου-αέρα θα μπορούσε να μειώσει την εξάρτηση από εισαγόμενο λίθιο. Η τεχνολογία της Phinergy ήδη χρησιμοποιείται εμπορικά σε εφεδρικά συστήματα τηλεπικοινωνιακών πύργων (αντικαθιστώντας τις γεννήτριες ντίζελ με συστήματα αλουμινίου-αέρα χωρίς εκπομπές) evreporter.com, και συνεργάζεται με αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η Mahindra για ενσωμάτωση σε οχήματα (π.χ. δοκιμαστικοί στόλοι ηλεκτρικών ρίκσο και λεωφορείων που χρησιμοποιούν αλουμίνιο-αέρα για μεγαλύτερη αυτονομία) evreporter.com. Η πρόοδος της Phinergy είναι καθοριστική επειδή είναι από τις πρώτες που έβγαλαν μπαταρία με βάση το αλουμίνιο από το εργαστήριο και την έφεραν σε πρακτικές εφαρμογές πεδίου.
• Lyten: Η Lyten είναι μια startup της Silicon Valley (με έδρα το San Jose, Καλιφόρνια) που βρισκόταν σε stealth mode για αρκετά χρόνια αναπτύσσοντας μια μπαταρία λιθίου-θείου ενισχυμένη με ένα ιδιόκτητο υλικό 3D γραφενίου. Πρόσφατα εμφανίστηκαν με μεγάλες ειδήσεις: τον Οκτώβριο του 2024, η Lyten ανακοίνωσε σχέδια για την κατασκευή του πρώτου στον κόσμο gigafactory μπαταριών λιθίου-θείου στη Νεβάδα, με επένδυση άνω του 1 δισεκατομμυρίου δολαρίων lyten.coml. Η εγκατάσταση αναμένεται να παράγει 10 GWh μπαταριών Li-S ετησίως έως το 2027 lyten.com. Αυτή η τολμηρή κίνηση δείχνει εμπιστοσύνη ότι η τεχνολογία τους είναι σχεδόν έτοιμη για μαζική παραγωγή. Οι αρχικές αγορές-στόχοι της Lyten δεν είναι τα επιβατικά ηλεκτρικά οχήματα αλλά η μικροκινητικότητα, η αεροδιαστημική, τα drones και η άμυνα το 2024–2025 lyten.com – τομείς όπου η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των Li-S προσφέρει καθοριστικό πλεονέκτημα και όπου η ελαφρώς χαμηλότερη διάρκεια ζωής κύκλου μπορεί να είναι αποδεκτή. Η εταιρεία δίνει έμφαση στο χαμηλό βάρος και την απουσία συγκρουσιακών ορυκτών των μπαταριών της, και πράγματι τα στοιχεία τους χρησιμοποιούν ανόδους από μεταλλικό λίθιο και καθόδους από σύνθετο θείου-άνθρακα, αποφεύγοντας το νικέλιο, το κοβάλτιο κ.λπ. lyten.com. Ο CEO της Lyten, Dan Cook, δήλωσε «Το λίθιο-θείο είναι ένα άλμα στην τεχνολογία μπαταριών, προσφέροντας μια μπαταρία υψηλής ενεργειακής πυκνότητας και χαμηλού βάρους, κατασκευασμένη με άφθονα διαθέσιμα τοπικά υλικά» lyten.com. Έχουν μάλιστα κατασκευάσει πιλοτικά στοιχεία μπαταριών εσωτερικά από το 2023 για να δοκιμάσουν και να βελτιώσουν τη διαδικασία παραγωγής lyten.com. Αν το gigafactory της Lyten πετύχει, θα μπορούσε να είναι ένας game-changer – οι πρώτες εμπορικές μπαταρίες Li-S που κατασκευάζονται σε μεγάλη κλίμακα, πιθανώς για χρήση σε ηλεκτρικά αεροσκάφη επόμενης γενιάς ή ηλεκτρικά φορτηγά μεγάλων αποστάσεων όπου κάθε κιλό μετράει.
• Theion: Η Theion είναι μια startup με έδρα το Βερολίνο, Γερμανία, που εστιάζει σε μπαταρίες λιθίου-θείου με μια ιδιαιτερότητα – χρησιμοποιούν κρυσταλλικό θείο και ειδικά ηλεκτρόδια για τη βελτίωση της σταθερότητας. Τον Μάρτιο του 2025, η Theion συγκέντρωσε 15 εκατομμύρια ευρώ σε έναν γύρο χρηματοδότησης Series A για να αυξήσει την παραγωγή των κυψελών μπαταριών της reuters.com. Η Theion ισχυρίζεται ότι οι κυψέλες της μπορούν να τριπλασιάσουν την ενεργειακή πυκνότητα των ιόντων λιθίου ενώ μειώνουν το κόστος στο ένα τρίτο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως reuters.com. Φέρεται να έχουν λύσει βασικά προβλήματα προ-επεκτείνοντας την καθόδιο ώστε να φιλοξενεί τη διαστολή του θείου και διατηρώντας το θείο σε κρυσταλλική μορφή που είναι λιγότερο αντιδραστική με τους ηλεκτρολύτες reuters.com. Ο CEO Ulrich Ehmes έχει δηλώσει ότι η τεχνολογία τους θα μπορούσε να βρει εφαρμογή σε ηλεκτρικά οχήματα, “ιπτάμενα ταξί” ή αποθήκευση ενέργειας, και ενδεχομένως να βρίσκεται σε αυτοκίνητα μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 2020 reuters.com. Η προσέγγιση της Theion έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον επειδή δεν βασίζεται σε εξωτικά υλικά – τονίζουν ότι οι μπαταρίες τους “αναπνέουν” λιγότερο και δεν διαβρώνονται όπως οι παλαιότερες Li-S. Η χρηματοδότηση θα τους βοηθήσει να αναπτύξουν μεγαλύτερες κυψέλες pouch και να προχωρήσουν πέρα από τα πρωτότυπα coin-cell reuters.com. Το ενδιαφέρον της Γερμανίας για τις μπαταρίες θείου ευθυγραμμίζεται επίσης με την ευρωπαϊκή προσπάθεια για εγχώριες, βιώσιμες τεχνολογίες μπαταριών.
• Argonne National Laboratory & U.S. DOE: Στον δημόσιο ερευνητικό τομέα, το Argonne (μαζί με άλλα εργαστήρια του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ όπως τα Oak Ridge και Pacific Northwest) ερευνά ενεργά τις μπαταρίες θείου. Συζητήσαμε το επίτευγμα του Argonne στον σχεδιασμό ενδιάμεσου στρώματος για κυψέλες Li-S anl.gov. Εξερευνούν επίσης στερεάς κατάστασης μπαταρίες θείου σε συνεργασία με τη NASA για την αεροπορία. Το Vehicle Technologies Office του DOE έχει χρηματοδοτήσει πολλαπλά έργα σε Li-S, Mg-S, και ακόμη και Li-Air και Al-Air, αναγνωρίζοντας τη στρατηγική σημασία των χημειών επόμενης γενιάς. Τα εθνικά εργαστήρια συχνά συνεργάζονται με πανεπιστήμια (π.χ. το Argonne συνεργάστηκε με ομάδα που περιλάμβανε το Πανεπιστήμιο του Ιλινόις για τα ενδιάμεσα στρώματα θείου) και μοιράζονται ευρήματα στα οποία μπορούν να βασιστούν οι startups. Για παράδειγμα, μεγάλο μέρος της κατανόησης της συμπεριφοράς των πολυσουλφιδίων και της προηγμένης χαρακτηριστικοποίησης (με χρήση εργαλείων όπως το Advanced Photon Source του Argonne για ανάλυση μπαταριών με ακτίνες Χ anl.gov) προέρχεται από αυτά τα εργαστήρια.
• Άλλες αξιοσημείωτες περιπτώσεις: Πανεπιστήμια όπως το Monash University (Αυστραλία) έγιναν πρωτοσέλιδο το 2020 με μια μπαταρία Li-S που θα μπορούσε υποτίθεται να τροφοδοτήσει ένα smartphone για πέντε ημέρες και έδειξε εξαιρετική σταθερότητα μέσω ενός καινοτόμου συνδετικού υλικού και σχεδιασμού ηλεκτροδίου advancedsciencenews.com. Το Monash από τότε εργάζεται και σε ταχείας φόρτισης Li-S, στοχεύοντας σε χρήσεις στην ηλεκτρική αεροπορία monash.edu. Στο Ηνωμένο Βασίλειο, η πλέον ανενεργή Oxis Energy ήταν πρωτοπόρος στις Li-S· πριν το κλείσιμό της το 2021, η Oxis είχε αναπτύξει κυψέλες Li-S που πλησίαζαν τα 400 Wh/kg και συνεργαζόταν με κατασκευαστές αεροπλάνων. Η πνευματική της ιδιοκτησία αποκτήθηκε από άλλες οντότητες, πιθανώς επηρεάζοντας νέα έργα. Η κινεζική ακαδημαϊκή και βιομηχανική κοινότητα είναι εξαιρετικά δραστήρια – ιδρύματα όπως η Κινεζική Ακαδημία Επιστημών, το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Wuhan (που συνυπέγραψε το άρθρο του Sadoway για το Al-S news.mit.edu), και εταιρείες όπως η CATL εξερευνούν χημείες θείου και αλουμινίου, αν και οι λεπτομέρειες μερικές φορές παραμένουν μυστικές. Ακόμα και το Battery Day της Tesla το 2020 υπαινίχθηκε ενδιαφέρον για το θείο (ο Elon Musk αστειεύτηκε ότι η Tesla ερευνά “λίθιο και θείο” χωρίς περαιτέρω διευκρινίσεις, πιθανώς για μακροπρόθεσμα έργα). Τέλος, η NASA και η Boeing εξετάζουν τις Li-S για αεροσκάφη: το έργο SABERS της NASA έχει μια πολυστρωματική μπαταρία θείου που έφτασε τα 500 Wh/kg, κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει ηλεκτρικά αεροπλάνα ή προηγμένα drones businessaviation.aero.

Είναι σαφές ότι ένα παγκόσμιο οικοσύστημα καινοτόμων προωθεί τις μπαταρίες αλουμινίου και θείου – από δυναμικές νεοφυείς επιχειρήσεις μέχρι ιστορικά εθνικά εργαστήρια. Τα επόμενα χρόνια (2025–2030) πιθανότατα θα δούμε κάποιες από αυτές τις προσπάθειες να αποδίδουν καρπούς με τη μορφή πραγματικών προϊόντων και πιλοτικών εφαρμογών.

Σημαντικές ανακαλύψεις και πρόσφατες καινοτομίες (2024–2025)

Η περίοδος 2024 έως 2025 ήταν ιδιαίτερα συναρπαστική για τις εξελίξεις στις μπαταρίες αλουμινίου και θείου, με αρκετές αξιοσημείωτες ανακαλύψεις:

• Ιαν 2024 – Αλουμίνιο-Θείο στους 85 °C (Nature Communications): Ερευνητές παρουσίασαν μια νέα μπαταρία αλουμινίου–θείου που λειτουργεί στους 85 °C με τεταρτοταγές ηλεκτρολύτη λιωμένου άλατος, δημοσιευμένη στο Nature Communications nature.com. Αυτή η μπαταρία έδειξε δυνατότητα ταχείας φόρτισης και εντυπωσιακή μακροζωία: διατήρησε το 85,4% της χωρητικότητάς της μετά από 1.400 κύκλους σε ρυθμό φόρτισης 1C nature.com. Σημαντικό είναι ότι οι 85 °C αποτελούν μεγάλη βελτίωση σε σχέση με προηγούμενες μπαταρίες λιωμένου άλατος που απαιτούσαν 110–180 °C nature.com. Η ομάδα το πέτυχε αυτό διαμορφώνοντας ένα ειδικό μείγμα αλάτων (αλκαλικά χλωροαλουμινικά) με χαμηλό σημείο τήξης, το οποίο επίσης διευκόλυνε τη γρήγορη κίνηση ιόντων αλουμινίου nature.com. Χρησιμοποίησαν επίσης μια καθοδική ηλεκτρόδιο πορώδους άνθρακα ντοπαρισμένου με άζωτο που βοήθησε τις αντιδράσεις του θείου να προχωρούν γρήγορα nature.com. Αυτό το αποτέλεσμα είναι σημαντικό επειδή δείχνει προς πρακτικές, χαμηλού κόστους μπαταρίες δικτύου που θα μπορούσαν να λειτουργούν με απλή θέρμανση (ακόμα και μόνο με ζεστό νερό ως πηγή θερμότητας, όπως σημειώνουν οι συγγραφείς nature.com) και να προσφέρουν γρήγορη φόρτιση χωρίς υποβάθμιση. Είναι ένα βήμα προς τη δημιουργία μιας πιο φιλικής προς τον χρήστη και κινητής έκδοσης της μπαταρίας Al-S του MIT.
Οκτ 2024 – Η Lyten ανακοινώνει εργοστάσιο γίγα για μπαταρίες Li-S: Η ανακοίνωση της Lyten για ένα εργοστάσιο γίγα μπαταριών λιθίου-θείου στη Νεβάδα ήταν ένα σημαντικό πρωτοσέλιδο της βιομηχανίας στα τέλη του 2024 lyten.com. Προβλέπεται να είναι το πρώτο στον κόσμο εργοστάσιο γίγα αφιερωμένο σε κυψέλες Li-S, με στόχο παραγωγή 10 GWh/έτος έως το 2027 lyten.com. Ακόμα πιο εντυπωσιακό ήταν το γεγονός ότι η Lyten δήλωσε πως οι μπαταρίες Li-S της εισέρχονται ήδη σε επιλεγμένες αγορές το 2024 και 2025 – συγκεκριμένα, έχουν πελάτες στη μικροκινητικότητα (ηλεκτρικά ποδήλατα, σκούτερ), την αεροδιαστημική (ίσως δορυφόρους ή drones μεγάλου υψομέτρου), τα drones και τις αμυντικές εφαρμογές που χρησιμοποιούν τις μπαταρίες τους lyten.com. Αυτό υποδηλώνει ότι η Lyten έχει περάσει από εργαστηριακά πρωτότυπα σε πιλοτική παραγωγή και πραγματική χρήση πεδίου σε αυτές τις εξειδικευμένες αγορές. Η κίνηση για την κατασκευή ενός μεγάλου εργοστασίου δείχνει εμπιστοσύνη στην κλιμάκωση της τεχνολογίας και στην εκδήλωση ζήτησης για αυτήν. Είναι επίσης ένα μεγάλο σήμα προς τη βιομηχανία μπαταριών και τους επενδυτές ότι το λίθιο-θείο πλησιάζει στην ετοιμότητα για μαζική χρήση. Ίσως σύντομα δούμε προϊόντα που διαφημίζουν “Li-S battery inside”, τουλάχιστον σε high-end ή εξειδικευμένες εφαρμογές, ως αποτέλεσμα αυτού.
• Μάρτιος 2025 – Η Theion συγκεντρώνει κεφάλαια, ισχυρίζεται 3× ενέργεια: Τον Μάρτιο του 2025, το Reuters ανέφερε ότι η Theion συγκέντρωσε 15 εκατομμύρια ευρώ για να αναπτύξει την μπαταρία θείου της, η οποία «αποθηκεύει περισσότερη ενέργεια αλλά κοστίζει πολύ λιγότερο από τις συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου.» reuters.com Η Theion αποκάλυψε δημόσια μέρος της τεχνικής της στρατηγικής, λέγοντας ότι τα στοιχεία της έχουν τριπλάσια ενεργειακή πυκνότητα από τις Li-ion, με το ένα τρίτο του κόστους και το ένα τρίτο των εκπομπών CO₂, όπως αναφέρθηκε νωρίτερα reuters.com. Αντιμετώπισαν τις μεγάλες ανησυχίες δηλώνοντας ότι αποφεύγουν τη γρήγορη διάβρωση χρησιμοποιώντας κρυσταλλικό θείο και διαχειρίζονται τη διαστολή προ-επεκτείνοντας τη δομή της καθόδου reuters.com. Η χρηματοδότηση θα τους βοηθήσει να μεταβούν από coin cells σε μεγαλύτερες pouch cells (κατάλληλες για ηλεκτρικά οχήματα ή αεροσκάφη) reuters.com. Αυτή η εξέλιξη υπενθυμίζει ότι όχι μόνο μία αλλά πολλές νεοφυείς επιχειρήσεις (Lyten, Theion, άλλες) πετυχαίνουν ορόσημα και προσελκύουν επενδύσεις, αυξάνοντας τις πιθανότητες τουλάχιστον μία να πετύχει εμπορικά. Είναι κάπως σαν τις πρώτες μέρες των ιόντων λιθίου, όπου πολλές εταιρείες και χώρες συμμετείχαν στην κούρσα – εδώ έχουμε αμερικανικές και ευρωπαϊκές εταιρείες να προωθούν τις μπαταρίες θείου ταυτόχρονα.
2023 – 2024 – Επίλυση του Παζλ της Ζωής του Κύκλου του Θείου: Καθ’ όλη τη διάρκεια του 2023 και στις αρχές του 2024, πολλές ερευνητικές ομάδες δημοσίευσαν εξελίξεις στην επέκταση της διάρκειας ζωής των μπαταριών θείου. Ένα σημαντικό σημείο ήταν η μελέτη με επικεφαλής το Argonne (δημοσιεύτηκε τον Αύγουστο του 2022 στο Nature Communications) που έδειξε ότι ένα διαστρωματικό υλικό με ρεδοξική δραστικότητα μπορεί να βελτιώσει δραματικά τη σταθερότητα των μπαταριών Li-S anl.gov. Στις αρχές του 2023, ανέφεραν ότι αυτή η προσέγγιση αποδίδει κυψέλες που διατηρούν υψηλή χωρητικότητα για εκατοντάδες κύκλους anl.gov, φέρνοντας τις Li-S πιο κοντά στη βιωσιμότητα για καθημερινή χρήση. Στα μέσα του 2024, μια άλλη ομάδα ανέφερε μια αναδιπλούμενη, εύκαμπτη μπαταρία Li-S με ειδική καθόδιο θειούχου σιδήρου που μπορούσε ακόμη και να αντέξει το κόψιμο χωρίς να αποτύχει acs.org – μια καινοτόμος λύση για φορητά ή εύκαμπτα ηλεκτρονικά που χρησιμοποιούν Li-S. Αυτές οι σταδιακές καινοτομίες είναι σημαντικές: αντιμετωπίζουν τα πρακτικά προβλήματα (όπως η διαχείριση πολυσουλφιδίων, οι μηχανικές καταπονήσεις, κ.λπ.) ένα προς ένα. Κάθε βελτίωση φέρνει τις κυψέλες Li-S πιο κοντά στην κάλυψη των αυστηρών απαιτήσεων των εμπορικών ηλεκτρονικών και οχημάτων.
• 2024 – Άνοδος της Έρευνας & Ανάπτυξης Μπαταριών Αλουμινίου: Στην πλευρά του αλουμινίου, στα τέλη του 2024 υπήρξε επίσης ενδιαφέρουσα έρευνα. Οι επιστήμονες διερεύνησαν νέα υλικά καθόδου για μπαταρίες ιόντων αλουμινίου, όπως το θειούχο κοβάλτιο, για να επιτύχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα και καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών αποθήκευσης φόρτισης nature.com. Υπάρχει ένα αυξανόμενο σώμα εργασίας για τις “πολυσθενείς” μπαταρίες (συμπεριλαμβανομένων των Al, Mg, Zn) που συχνά μοιράζονται προκλήσεις και ανακαλύψεις – για παράδειγμα, βελτιωμένοι ηλεκτρολύτες που βοηθούν ένα σύστημα μπορούν μερικές φορές να εφαρμοστούν και σε άλλο advanced.onlinelibrary.wiley.com. Βλέπουμε επίσης χώρες όπως η Ινδία να επενδύουν στην τεχνολογία μπαταριών αλουμινίου, όχι μόνο μέσω της αλουμινίου-αέρα της Phinergy αλλά και σε ακαδημαϊκή έρευνα για τη δημιουργία επαναφορτιζόμενης μπαταρίας αλουμινίου κατάλληλης για τις ινδικές συνθήκες (με τη χρηματοδότηση της κυβέρνησης στο πλαίσιο της εθνικής αποστολής αποθήκευσης ενέργειας). Αν και αυτά δεν έχουν γίνει ακόμη παγκόσμια πρωτοσέλιδα, συμβάλλουν στη δυναμική που χτίζεται γύρω από τις μπαταρίες αλουμινίου παγκοσμίως.
• Πολιτικές και Σήματα της Αγοράς: Οι ιστορίες των σημαντικών εξελίξεων δεν είναι μόνο τεχνικές. Το 2024–2025, βλέπουμε ισχυρά σήματα της αγοράς που υποστηρίζουν αυτές τις νέες μπαταρίες. Ο Νόμος για τη Μείωση του Πληθωρισμού (IRA) της κυβέρνησης των ΗΠΑ και άλλες πολιτικές ενθαρρύνουν τις εγχώριες αλυσίδες εφοδιασμού μπαταριών – κάτι που ωφελεί χημείες που μπορούν να παραχθούν με τοπικά υλικά όπως το θείο (οι ΗΠΑ παράγουν πολύ θείο από τη διύλιση πετρελαίου) και το αλουμίνιο. Το gigafactory της Lyten στη Νεβάδα και το ενδιαφέρον του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ για ελαφριές μπαταρίες Li-S για στρατιώτες ή δορυφόρους είναι αποτελέσματα αυτών των κινήτρων lyten.com. Στην Ευρώπη, η ώθηση για βιωσιμότητα καθιστά μια μπαταρία χωρίς κοβάλτιο και νικέλιο πολύ ελκυστική, γι’ αυτό και η χρηματοδότηση της ΕΕ για έργα όπως το Theion και άλλα. Ακόμα και στην Κίνα, όπου κυριαρχεί η παραγωγή ιόντων λιθίου, έχουν υπάρξει κρατικά υποστηριζόμενα προγράμματα για “μπαταρίες επόμενης γενιάς” (για παράδειγμα, η CATL φέρεται να εργάζεται σε μια υβριδική μπαταρία νατρίου-ιόντων + θείου για κυκλοφορία γύρω στο 2023/24 σε σταθερή αποθήκευση). Όλες αυτές οι τάσεις δείχνουν ότι η στιγμή είναι κατάλληλη για μπαταρίες αλουμινίου και θείου – ο κόσμος αναζητά λύσεις και η τεχνολογία καλύπτει αυτές τις ανάγκες.

Ουσιαστικά, τα τελευταία δύο χρόνια μετέτρεψαν τις μπαταρίες αλουμινίου και θείου από μια εξειδικευμένη εργαστηριακή περιέργεια σε σοβαρούς διεκδικητές για το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας. Όπως είπε εύστοχα ένας επιστήμονας, «Είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να δούμε αυτή την τεχνολογία στην καθημερινή μας ζωή.» anl.gov Αυτή η σταδιακή πρόοδος είναι ακριβώς αυτό που συμβαίνει τώρα, και το επόμενο βήμα θα είναι η ευρύτερη εμπορευματοποίηση και η κλιμάκωση αυτών των καινοτομιών.

Πιθανές Εφαρμογές και Επίδραση στην Καθαρή Ενέργεια και τα Ηλεκτρικά Οχήματα

Η άνοδος των μπαταριών αλουμινίου και θείου θα μπορούσε να επηρεάσει ένα ευρύ φάσμα τομέων. Ακολουθούν μερικές από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές και οι επιπτώσεις τους:

🏠 Αποθήκευση Ανανεώσιμης Ενέργειας (Δίκτυο και Οικία): Ίσως ο μεγαλύτερος άμεσος αντίκτυπος θα είναι στην σταθερή αποθήκευση ενέργειας για καθαρή ενέργεια. Μία από τις μεγάλες προκλήσεις της ανανεώσιμης ενέργειας (ηλιακή, αιολική) είναι η διακοπτόμενη παραγωγή – ο ήλιος και ο άνεμος δεν είναι διαθέσιμοι 24/7, οπότε χρειαζόμαστε τεράστιες, οικονομικές μπαταρίες για να αποθηκεύουμε ενέργεια όταν δεν παράγεται. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται για αποθήκευση στο δίκτυο, αλλά παραμένουν σχετικά ακριβές και εξαρτώνται από εισαγόμενα υλικά. Οι μπαταρίες αλουμινίου-θείου και νατρίου-θείου, με τα εξαιρετικά φθηνά συστατικά τους, θα μπορούσαν να μειώσουν δραστικά το κόστος αποθήκευσης μιας κιλοβατώρας. Ο Sadoway του MIT στοχεύει ειδικά στην κλίμακα οικίας και γειτονιάς με τη μπαταρία Al-S – «το μέγεθος που απαιτείται για να τροφοδοτήσει ένα μόνο σπίτι ή μια μικρή έως μεσαία επιχείρηση» (της τάξης δεκάδων kWh) news.mit.edu. Τέτοιες μπαταρίες θα επέτρεπαν στους ιδιοκτήτες σπιτιών με ηλιακούς συλλέκτες να αποθηκεύουν φθηνά ενέργεια της ημέρας για χρήση τη νύχτα, ή σε μικρές επιχειρήσεις να έχουν εφεδρική ισχύ χωρίς γεννήτρια ντίζελ. Σε μεγαλύτερη κλίμακα, οι εταιρείες κοινής ωφέλειας θα μπορούσαν να εγκαταστήσουν τεράστιες συστοιχίες μπαταριών αλουμινίου ή νατρίου-θείου για να εξομαλύνουν την παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές. Η ομάδα του Πανεπιστημίου του Σίδνεϊ σημείωσε ότι η χαμηλού κόστους μπαταρία Na-S θα μπορούσε να «μειώσει σημαντικά το κόστος μετάβασης σε μια οικονομία χωρίς άνθρακα» παρέχοντας οικονομική αποθήκευση sydney.edu.au. Σε περιοχές χωρίς τη γεωγραφία για αντλησιοταμίευση, αυτές οι ηλεκτροχημικές λύσεις είναι καθοριστικές. Επιπλέον, καθώς αυτές οι νέες μπαταρίες δεν είναι εύφλεκτες (σημαντικό για την ασφάλεια της κοινότητας) και χρησιμοποιούν άφθονα υλικά, μπορούν να παραχθούν και να εγκατασταθούν τοπικά σε πολλές περιοχές – ενισχύοντας την ενεργειακή ασφάλεια. Συνολικά, η ευρεία χρήση σταθερών μπαταριών αλουμινίου/θείου θα επέτρεπε μεγαλύτερη διείσδυση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, θα μείωνε τη σπατάλη (curtailment) λόγω έλλειψης αποθήκευσης και θα βοηθούσε στη σταθεροποίηση του δικτύου με καθαρή, ελεγχόμενη ενέργεια.
• 🚗 Ηλεκτρικά Οχήματα (EVs): Ελαφρύτερες και υψηλότερης ενέργειας μπαταρίες είναι το ιερό δισκοπότηρο για τα EVs και ακόμη και για την ηλεκτρική αεροπορία. Οι μπαταρίες λιθίου-θείου είναι ιδιαίτερα ελκυστικές εδώ. Ένα πακέτο Li-S θα μπορούσε να επεκτείνει δραματικά την αυτονομία ενός EV χωρίς να προσθέσει βάρος – ή αντίστροφα, να επιτρέψει την ίδια αυτονομία με πολύ ελαφρύτερη μπαταρία, βελτιώνοντας την απόδοση. Για παράδειγμα, αν ένα EV σήμερα χρειάζεται μια μπαταρία ιόντων λιθίου 600 κιλών για αυτονομία 300 μιλίων, μια μπαταρία Li-S με 2× ενεργειακή πυκνότητα θα μπορούσε να το πετύχει αυτό με ~300 κιλά, μειώνοντας σημαντικά το βάρος του οχήματος. Αυτό βελτιώνει την επιτάχυνση, τον χειρισμό και μειώνει την ενέργεια που καταναλώνεται ανά μίλι. Θα μπορούσε επίσης να κάνει τα ηλεκτρικά φορτηγά και λεωφορεία πιο βιώσιμα, απελευθερώνοντας βάρος για το ωφέλιμο φορτίο. Εταιρείες όπως η Oxis Energy (πριν κλείσει) και η Sion Power συνεργάστηκαν με αεροδιαστημικούς και αυτοκινητοβιομηχανικούς εταίρους σε πρωτότυπα πακέτα Li-S για αεροσκάφη μεγάλων αποστάσεων και EVs. Μάλιστα, οι πρώιμες κυψέλες Li-S της Sion Power τροφοδότησαν ένα High Altitude Pseudo-Satellite (ένα μη επανδρωμένο ηλιακό αεροπλάνο) για να σπάσει ρεκόρ διάρκειας πτήσης τη δεκαετία του 2010. Πιο πρόσφατα, η NASA και η Airbus εξέτασαν το Li-S ως έναν από τους μόνους τρόπους για να επιτευχθεί η απαιτούμενη ενεργειακή πυκνότητα 500 Wh/kg για πρακτικά ηλεκτρικά επιβατικά αεροπλάνα businessaviation.aero – η επιτυχία του έργου SABERS υποδηλώνει ότι περιφερειακά ηλεκτρικά αεροσκάφη με μπαταρίες θείου βρίσκονται στον ορίζοντα. Τα ηλεκτρικά ιπτάμενα ταξί και drones θα επωφεληθούν επίσης· η Theion ανέφερε ρητά τα ιπτάμενα οχήματα ως στόχο reuters.com. Πέρα από το Li-S, ακόμη και οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα έχουν ρόλο στα EVs: θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως μονάδα επέκτασης αυτονομίας που ενεργοποιείτε για μεγάλα ταξίδια. Φανταστείτε ένα EV με μια μικρή μπαταρία ιόντων λιθίου για καθημερινές μετακινήσεις και μια “βοηθητική μπαταρία” αλουμινίου-αέρα που συμπληρώνετε (αντικαθιστώντας αλουμίνιο) μόνο όταν κάνετε ένα ταξίδι 1.000 χλμ. Τέτοιες υβριδικές αρχιτεκτονικές μπαταριών εξετάζονται σε έργα της Indian Oil/Phinergy και άλλων. Πρέπει να σημειώσουμε ότι τα συμβατικά EVs δεν θα αλλάξουν σε μια εντελώς νέα χημεία από τη μια μέρα στην άλλη – η ασφάλεια, η διάρκεια ζωής και η ταχεία φόρτιση πρέπει να αποδειχθούν – αλλά στα τέλη της δεκαετίας του 2020, είναι πιθανό ότι τα κορυφαία μοντέλα ή τα οχήματα ειδικού σκοπού μπορεί να έρθουν με μπαταρίες επόμενης γενιάς. Αν συμβεί αυτό, θα μπορούσε να ωθήσει την απόδοση των EV σε νέα ύψη (αυτονομίες 500+ μιλίων, πολύ γρήγορη φόρτιση, ελαφρύτερα αυτοκίνητα) και να μειώσει την εξάρτηση από κρίσιμα ορυκτά, επιτρέποντας έτσι την υιοθέτηση των EV σε μεγαλύτερη κλίμακα χωρίς εμπόδια πόρων.
📱 Φορητά Ηλεκτρονικά και Wearables: Το μελλοντικό σας smartphone ή laptop θα μπορούσε επίσης να επωφεληθεί από μπαταρίες θείου ή αλουμινίου, αν και αυτές οι εφαρμογές απαιτούν μεγάλη διάρκεια κύκλου και χαμηλή αυτοεκφόρτιση (τομείς στους οποίους οι Li-ion αυτή τη στιγμή υπερέχουν). Μια μπαταρία λιθίου-θείου θα μπορούσε να κάνει το τηλέφωνό σας να λειτουργεί για μέρες μεταξύ των φορτίσεων – θυμηθείτε το concept του Πανεπιστημίου Monash για τηλέφωνο που διαρκεί 5 μέρες με μπαταρία Li-S advancedsciencenews.com. Η εξοικονόμηση βάρους είναι λιγότερο κρίσιμη για ένα τηλέφωνο, αλλά η ενεργειακή πυκνότητα είναι σημαντική. Μια πρόκληση εδώ είναι ότι τα καταναλωτικά gadgets απαιτούν εκατοντάδες κύκλους και χρόνια ημερολογιακής ζωής· οι Li-S θα χρειαστούν περισσότερη βελτίωση για να το πετύχουν αυτό. Παρ’ όλα αυτά, ίσως δούμε εξειδικευμένα gadgets ή wearables να τα υιοθετούν αν προσφέρουν πλεονεκτήματα στον σχεδιασμό. Οι μπαταρίες αλουμινίου, ειδικά τα ευέλικτα σχέδια όπως αυτά του Stanford, θα μπορούσαν να επιτρέψουν αναδιπλούμενα ή κυλιόμενα gadgets. Για παράδειγμα, μια μπαταρία ιόντων αλουμινίου που είναι εύκαμπτη θα μπορούσε να ενσωματωθεί στο λουράκι ενός smartwatch ή σε έξυπνα ρούχα. Επίσης, επειδή οι Al-ion μπορούν να γίνουν πολύ ασφαλείς (χωρίς κίνδυνο φωτιάς), θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε συσκευές χωρίς ογκώδεις προστατευτικές θήκες, ίσως επιτρέποντας και πιο δημιουργικό βιομηχανικό σχεδιασμό. Αυτά είναι εικασίες, αλλά καθώς η παραγωγή βελτιώνεται, τα καταναλωτικά ηλεκτρονικά θα μπορούσαν να αποτελέσουν σημαντική αγορά (ήταν άλλωστε για την αρχική ανάπτυξη των ιόντων λιθίου τη δεκαετία του 1990).
• ⚡ Υποδομές Ταχείας Φόρτισης: Μια λιγότερο προφανής αλλά σημαντική εφαρμογή είναι η χρήση αυτών των νέων μπαταριών για να διευκολύνουν την ταχεία φόρτιση των EVs και να σταθεροποιήσουν το δίκτυο. Όπως επεσήμανε ο Καθηγητής Sadoway, αν πολλά EVs προσπαθήσουν να φορτίσουν ταυτόχρονα (όπως πολλά αυτοκίνητα σε ένα σταθμό ξεκούρασης στον αυτοκινητόδρομο), η ζήτηση ισχύος εκτοξεύεται πέρα από αυτό που το ηλεκτρικό δίκτυο μπορεί εύκολα να παρέχει news.mit.edu. Αντί να αναβαθμίζονται οι γραμμές μεταφοράς, η εγκατάσταση ενός buffer μπαταρίας στους σταθμούς φόρτισης είναι εξυπνότερη – η μπαταρία φορτίζει αργά από το δίκτυο και μετά αποδίδει γρήγορα ενέργεια στα αυτοκίνητα όταν χρειάζεται. Για τέτοιες μπαταρίες buffer, το κόστος και η ασφάλεια είναι υψίστης σημασίας, και το βάρος είναι λιγότερο σημαντικό. Αυτό καθιστά τις μπαταρίες αλουμινίου-θείου ή νατρίου-θείου ιδανικές υποψήφιες. Βρίσκονται επιτόπου, αποθηκεύουν ενέργεια φθηνά, δεν κινδυνεύουν από φωτιά και μπορούν να αποδώσουν γρήγορα ενέργεια. Ο Sadoway ανέφερε συγκεκριμένα ότι τα συστήματα Al-S θα μπορούσαν να «εξαλείψουν την ανάγκη εγκατάστασης ακριβών νέων γραμμών μεταφοράς» για συστάδες ταχυφορτιστών news.mit.edu. Ουσιαστικά, αυτές οι μπαταρίες μπορούν να λειτουργήσουν ως αμορτισέρ για το ηλεκτρικό δίκτυο, απορροφώντας πλεονάζουσα ενέργεια και απελευθερώνοντάς την κατά παραγγελία, είτε πρόκειται για αιχμές φόρτισης EV είτε για εξισορρόπηση διακυμάνσεων στην παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές.
• 🏭 Βιομηχανική και Εμπορική Εφεδρεία: Όπως οι τηλεπικοινωνιακοί πύργοι χρησιμοποιούν αλουμίνιο-αέρα για εφεδρική ενέργεια, έτσι και άλλες βιομηχανίες και εμπορικές εγκαταστάσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μπαταρίες αλουμινίου ή θείου για να διασφαλίσουν αξιοπιστία και να μειώσουν την εξάρτηση από γεννήτριες ντίζελ. Τα κέντρα δεδομένων, για παράδειγμα, αναζητούν μπαταρίες που να είναι ασφαλείς, να έχουν μεγάλη διάρκεια αναμονής και να είναι οικονομικές σε μεγάλη κλίμακα – μπορεί κανείς να φανταστεί αίθουσες μπαταριών νατρίου-θείου να αντικαθιστούν τις τράπεζες μπαταριών ιόντων λιθίου ή μολύβδου-οξέος που χρησιμοποιούνται σήμερα για UPS (αδιάλειπτη παροχή ρεύματος). Σε απομακρυσμένες ή εκτός δικτύου τοποθεσίες, οι φθηνές μπαταρίες που δεν χρειάζονται συχνή αντικατάσταση είναι εξαιρετικά πολύτιμες (λιγότερα ταξίδια συντήρησης). Οι μπαταρίες αλουμινίου-θείου, που προβλέπεται να έχουν πολύ χαμηλό κόστος ανά kWh, θα μπορούσαν να επιτρέψουν τη δημιουργία μικροδικτύων σε αγροτικές ή νησιωτικές κοινότητες, σε συνδυασμό με ηλιακή/αιολική ενέργεια, για παροχή ρεύματος 24/7 χωρίς υπέρογκο κόστος.
• 🚀 Αεροδιαστημική και Άμυνα: Η υψηλή απόδοση αυτών των μπαταριών είναι φυσικά ελκυστική για εφαρμογές στην αεροδιαστημική και την άμυνα. Όπως αναφέρθηκε, δορυφόροι και drones μεγάλου υψομέτρου (ψευδο-δορυφόροι) έχουν χρησιμοποιήσει με επιτυχία Li-S λόγω του χαμηλού βάρους και της καλής απόδοσης σε χαμηλές θερμοκρασίες (οι διαστημικές μπαταρίες συχνά λειτουργούν σε ψύχος). Ο αμερικανικός στρατός ενδιαφέρεται για ελαφρύτερες μπαταρίες για τους στρατιώτες (για να μειωθεί το βάρος μεταφοράς πολλών κιλών μπαταριών ιόντων λιθίου) – μια μπαταρία θείου θα μπορούσε να ελαφρύνει σημαντικά αυτό το φορτίο. Επιπλέον, επειδή οι μπαταρίες θείου δεν περιέχουν ενώσεις που απελευθερώνουν οξυγόνο (σε αντίθεση με τις ιόντων λιθίου που μπορούν να απελευθερώσουν O₂ σε θερμική διαφυγή), μπορεί να είναι ασφαλέστερες σε κλειστά περιβάλλοντα όπως υποβρύχια ή διαστημόπλοια. Το αλουμίνιο-αέρα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως υποβρύχια πηγή ενέργειας για μη επανδρωμένα υποβρύχια μεγάλης αντοχής, όπου ο ανεφοδιασμός με αλουμίνιο είναι εφικτός. Ο αμυντικός τομέας συχνά λειτουργεί ως πρώιμος υιοθετητής πρωτοποριακής τεχνολογίας που αργότερα διαχέεται, οπότε η επένδυσή τους στην τεχνολογία μπαταριών αλουμινίου και θείου μπορεί να επιταχύνει την ανάπτυξη. Μάλιστα, οι αρχικές συνεργασίες της Lyten το 2024–25 με τις αγορές διαστήματος, drone και άμυνας υποδηλώνουν ότι τα αμυντικά συμβόλαια βοηθούν στην απόδειξη της τεχνολογίας lyten.com πριν από τη μαζικότερη καταναλωτική χρήση.

Σε όλες αυτές τις εφαρμογές, ο γενικός αντίκτυπος είναι η επιτάχυνση και διεύρυνση της μετάβασης στην καθαρή ενέργεια. Μειώνοντας δραστικά το κόστος των μπαταριών και απελευθερώνοντάς μας από τους περιορισμούς της εφοδιαστικής αλυσίδας των ιόντων λιθίου, οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου θα μπορούσαν να κάνουν τα ηλεκτρικά οχήματα προσιτά σε περισσότερους ανθρώπους (κρίσιμο για την απανθρακοποίηση των μεταφορών), να κάνουν την ανανεώσιμη ενέργεια πιο αξιόπιστη και διαδεδομένη (κρίσιμο για την απανθρακοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας), και ακόμη να δημιουργήσουν νέες δυνατότητες όπως η ηλεκτρική πτήση. Φέρουν επίσης περιβαλλοντικά οφέλη στη χρήση: π.χ., η αντικατάσταση γεννητριών ντίζελ εφεδρείας με μπαταρίες αλουμινίου-αέρα ή νατρίου-θείου μειώνει τη ρύπανση του αέρα τοπικά και τις εκπομπές CO₂. Εάν η τεχνολογία ανταποκριθεί στις υποσχέσεις της, ο κόσμος θα μπορούσε να δει φθηνότερα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, πιο ανθεκτικά καθαρά δίκτυα και μείωση της εξόρυξης σπάνιων μετάλλων – ένας θετικός φαύλος κύκλος τόσο για την οικονομία όσο και για το περιβάλλον.

Οικονομικές και Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις

Από οικονομική άποψη, οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου θα μπορούσαν να είναι ανατρεπτικές με τον καλύτερο δυνατό τρόπο: μειώνοντας το κόστος αποθήκευσης ενέργειας και διαφοροποιώντας την εφοδιαστική αλυσίδα. Η μπαταρία αποτελεί σημαντικό μέρος του κόστους ενός ηλεκτρικού οχήματος ή ενός συστήματος ανανεώσιμης ενέργειας, οπότε οι φθηνότερες μπαταρίες σημαίνουν φθηνότερα προϊόντα και ταχύτερη υιοθέτηση. Αναλυτές έχουν επισημάνει ότι υλικά όπως το αλουμίνιο και το θείο κοστίζουν ένα πολύ μικρό ποσοστό σε σχέση με το λίθιο, το νικέλιο ή το κοβάλτιο. Για παράδειγμα, μια εκτίμηση έθεσε το κόστος υλικών για κυψέλες αλουμινίου-θείου μόνο στο ~15% μιας ισοδύναμης κυψέλης ιόντων λιθίου news.mit.edu. Αν αυτές οι εξοικονομήσεις μεταφερθούν στην παραγωγή, θα μπορούσαμε να δούμε τις τιμές των μπαταριών (ανά kWh) να πέφτουν πολύ κάτω από την τρέχουσα καμπύλη μάθησης των ιόντων λιθίου. Η φθηνή αποθήκευση θα μπορούσε στη συνέχεια να οδηγήσει σε οικονομική ανάπτυξη επιτρέποντας νέα επιχειρηματικά μοντέλα (όπως περισσότερα ηλιακά πάρκα, κοινοτικά έργα αποθήκευσης κ.λπ.) και μειώνοντας το ενεργειακό κόστος για τους καταναλωτές (φανταστείτε να φορτίζετε την οικιακή σας μπαταρία κάθε απόγευμα με ηλιακή ενέργεια και να μην πληρώνετε ποτέ τιμές αιχμής στο δίκτυο).

Υπάρχει επίσης μια γεωπολιτική διάσταση: Η παραγωγή ιόντων λιθίου σήμερα είναι έντονα συγκεντρωμένη (με την Κίνα να κυριαρχεί στην κατασκευή κυψελών και χώρες όπως το Κονγκό να προμηθεύουν βασικά ορυκτά). Το αλουμίνιο, ωστόσο, παράγεται σε όλο τον κόσμο (και η ανακύκλωση παρέχει επίσης τοπική πηγή), και το θείο είναι πανταχού παρόν. Πολλές χώρες που δεν διαθέτουν πόρους λιθίου έχουν ισχυρές βιομηχανίες αλουμινίου (π.χ. η Ινδία, όπως είδαμε με την IOC Phinergy). Έτσι, οι μπαταρίες με βάση το αλουμίνιο θα μπορούσαν να επιτρέψουν σε περισσότερα έθνη να δημιουργήσουν εγχώριες βιομηχανίες μπαταριών χωρίς να βασίζονται σε εισαγόμενο λίθιο ή κοβάλτιο. Αυτή η διαφοροποίηση θα μπορούσε να μειώσει τους παγκόσμιους κινδύνους της εφοδιαστικής αλυσίδας και να κάνει τη μετάβαση στην ηλεκτρική κινητικότητα και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας πιο ανθεκτική απέναντι σε ελλείψεις ή πολιτική αστάθεια. Στη Νεβάδα, το προγραμματισμένο εργοστάσιο Lyten είναι ένα παράδειγμα – χρησιμοποιώντας θείο προερχόμενο από τις ΗΠΑ και συναρμολογώντας μπαταρίες εγχώρια lyten.com ευθυγραμμίζεται με πολιτικές για επαναπατρισμό της εφοδιαστικής αλυσίδας μπαταριών και δημιουργία τοπικών θέσεων εργασίας (προβλέπουν 1.000 θέσεις εργασίας σε πλήρη κλίμακα σε αυτό το ένα εργοστάσιο lyten.com).

Στην περιβαλλοντική πλευρά, αυτές οι μπαταρίες προσφέρουν πολλαπλά πλεονεκτήματα:

• Χαμηλότερο ανθρακικό αποτύπωμα: Η κατασκευή μπαταριών είναι ενεργοβόρα, αλλά οι μπαταρίες θείου και αλουμινίου μπορούν να παραχθούν με λιγότερο εξειδικευμένη επεξεργασία. Η εξευγένιση κοβαλτίου και νικελίου είναι ιδιαίτερα επιβαρυντική σε άνθρακα. Εξαλείφοντάς τα, οι κατασκευαστές μπορούν να μειώσουν τις εκπομπές CO₂ ανά kWh μπαταρίας. Η Theion ισχυρίστηκε μείωση κατά 2/3 στο ανθρακικό αποτύπωμα για τις μπαταρίες θείου της σε σύγκριση με τις ιόντων λιθίου reuters.com. Επίσης, το θείο μπορεί να προέρχεται ως παραπροϊόν αποβλήτων (ουσιαστικά μηδενικό επιπλέον ανθρακικό κόστος για την απόκτησή του), και η ανακύκλωση αλουμινίου χρησιμοποιεί μόνο ~5% της ενέργειας της πρωτογενούς παραγωγής αλουμινίου – έτσι η χρήση ανακυκλωμένου αλουμινίου στις μπαταρίες θα μείωνε σημαντικά την ενσωματωμένη τους ενέργεια.
• Ανακύκλωση και Τέλος Ζωής: Το αλουμίνιο είναι ήδη ένα από τα πιο ανακυκλωμένα υλικά (σκεφτείτε τα κουτάκια αλουμινίου). Υπάρχει υποδομή για να λιώνονται τα απορρίμματα αλουμινίου και να επαναχρησιμοποιούνται. Αν οι μπαταρίες μετάλλου-αλουμινίου γίνουν συνηθισμένες, μπορεί κανείς να φανταστεί ότι οι χρησιμοποιημένες ανόδους αλουμινίου θα συλλέγονται και θα ανακυκλώνονται συστηματικά με υψηλή απόδοση – μια κυκλική οικονομία για το μέταλλο της μπαταρίας. Το θείο, στο πλαίσιο της μπαταρίας, ίσως είναι πιο δύσκολο να ανακυκλωθεί απευθείας από τα στοιχεία (ειδικά αν είναι δεσμευμένο σε ενώσεις), αλλά επειδή είναι φθηνό και μη τοξικό, ακόμα κι αν καταλήξει σε χωματερή δεν αποτελεί τόσο μεγάλο περιβαλλοντικό κίνδυνο όσο, για παράδειγμα, ο μόλυβδος ή το κάδμιο σε παλαιότερες μπαταρίες. Οι ερευνητές ίσως βρουν τρόπους να ανακτήσουν το θείο ή να μετατρέψουν το απορριπτόμενο θείο από τις μπαταρίες σε χρήσιμες χημικές ουσίες (το θείο χρησιμοποιείται επίσης σε λιπάσματα, για παράδειγμα). Η απουσία βαρέων μετάλλων σε αυτές τις μπαταρίες σημαίνει λιγότερα τοξικά ηλεκτρονικά απόβλητα αν απορριφθούν ακατάλληλα, και ιδανικά ευκολότερο χειρισμό στις εγκαταστάσεις ανακύκλωσης.
• Μειωμένες Επιπτώσεις Εξόρυξης: Η εξόρυξη λιθίου, κοβαλτίου και νικελίου έχει σημαντικές περιβαλλοντικές και κοινωνικές επιπτώσεις – από τη χρήση νερού στην εξαγωγή λιθίου από άλμη, μέχρι την καταστροφή οικοτόπων και τη ρύπανση γύρω από τα ορυχεία νικελίου, έως τα ζητήματα παιδικής εργασίας σε ορισμένες επιχειρήσεις εξόρυξης κοβαλτίου. Μειώνοντας ή εξαλείφοντας την ανάγκη για αυτά τα υλικά, οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου θα μπορούσαν να μετριάσουν αυτές τις πιέσεις. Το αλουμίνιο δεν είναι χωρίς επιπτώσεις (η εξόρυξη βωξίτη και η τήξη αλουμινίου έχουν τα δικά τους προβλήματα, όπως τα απόβλητα red mud και την υψηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας), αλλά αυτές οι διαδικασίες ρυθμίζονται καλά σε πολλές χώρες και η τεχνολογία βελτιώνεται (π.χ. αδρανείς άνοδοι για τη μείωση των εκπομπών στη τήξη αλουμινίου). Και πάλι, η ανακύκλωση του αλουμινίου μειώνει σημαντικά την ανάγκη για νέα εξόρυξη. Η χρήση θείου αφορά κυρίως την επαναξιοποίηση ενός υπάρχοντος παραπροϊόντος – θα μπορούσε στην πραγματικότητα να λύσει ένα πρόβλημα (τεράστια αποθέματα θείου) αντί να δημιουργήσει ένα νέο.
• Ασφάλεια και Υγεία: Οι πυρκαγιές μπαταριών έχουν αποτελέσει ανησυχία με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς η καύση τους απελευθερώνει τοξικούς καπνούς και μπορεί να προκαλέσει πυρκαγιές που είναι δύσκολο να σβηστούν (όπως έχουν δείξει ορισμένα περιστατικά με ηλεκτρικά οχήματα). Οι μη εύφλεκτες μπαταρίες σημαίνουν λιγότερα περιστατικά πυρκαγιάς, κάτι που αποτελεί νίκη για την ασφάλεια της κοινωνίας. Σημαίνει επίσης ασφαλέστερο χειρισμό των μπαταριών κατά τη μεταφορά και στα σκραπ. Για παράδειγμα, τα απορριπτόμενα ηλεκτρικά οχήματα με πακέτα ιόντων λιθίου αποτελούν κίνδυνο πυρκαγιάς αν υποστούν ζημιά· ένα ηλεκτρικό όχημα με πακέτο αλουμινίου-θείου μπορεί να είναι πολύ ασφαλέστερο στη διάλυση. Το ίδιο ισχύει και για τις καταναλωτικές συσκευές – λιγότερες συσκευές που εκρήγνυνται ή παίρνουν φωτιά (σκεφτείτε τις διαβόητες φωτιές σε μπαταρίες κινητών) είναι ωφέλιμο για τη δημόσια υγεία και την εμπιστοσύνη στην τεχνολογία μπαταριών.
• Καθαρή Εφεδρική Ενέργεια: Σε μέρη που βασίζονται σήμερα σε γεννήτριες ντίζελ για εφεδρική ή απομακρυσμένη ενέργεια (νησιά, καταφύγια έκτακτης ανάγκης, πύργοι τηλεπικοινωνιών), η αντικατάστασή τους με μπαταρίες αλουμινίου-αέρα ή νατρίου-θείου εξαλείφει την καύση καυσίμου ντίζελ, που σημαίνει μηδενικές εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, μηδενική ρύπανση από σωματίδια και καθόλου θόρυβο. Αυτή είναι μια άμεση περιβαλλοντική και ποιοτική βελτίωση της ζωής. Για παράδειγμα, πύργοι τηλεπικοινωνιών που λειτουργούν με αλουμίνιο-αέρα στην Ινδία θα παράγουν μηδενικές τοπικές εκπομπές, ενώ οι γεννήτριες ντίζελ συμβάλλουν στη ρύπανση του αέρα και στις εκπομπές άνθρακα.

Συνολικά, οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου έχουν τη δυνατότητα να εκδημοκρατίσουν την αποθήκευση ενέργειας – καθιστώντας την προσιτή και φιλική προς το περιβάλλον ώστε να μπορούμε να εγκαταστήσουμε μπαταρίες παντού όπου τις χρειαζόμαστε για να επιτύχουμε ένα καθαρό ενεργειακό μέλλον. Δεν θα είναι πανάκεια (πιθανότατα θα έχουμε ένα μείγμα τεχνολογιών μπαταριών σε χρήση), αλλά η είσοδός τους στην αγορά μπορεί να μειώσει το κόστος και να αναγκάσει όλους τους κατασκευαστές μπαταριών να βελτιώσουν τη βιωσιμότητα.

Φυσικά, η οικονομική επιτυχία αυτών των μπαταριών δεν είναι εγγυημένη· πρέπει να αποδείξουν ότι μπορούν να κατασκευαστούν φθηνά και να λειτουργούν αξιόπιστα σε μεγάλη κλίμακα. Όμως οι πρόσφατες επενδύσεις και οι επιτυχίες των πρωτοτύπων είναι πολύ ενθαρρυντικές. Αν πετύχουν, το όφελος δεν θα είναι μόνο φθηνότερα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ή καλύτερα γκάτζετ – θα είναι μια ουσιαστική μείωση του περιβαλλοντικού κόστους της χρήσης μπαταριών και μια ώθηση στις παγκόσμιες προσπάθειες απανθρακοποίησης.

Συμπέρασμα: Ένα λαμπρό μέλλον φορτισμένο με κοινά στοιχεία

Οι μπαταρίες αλουμινίου και θείου, που κάποτε θεωρούνταν τεχνολογίες αουτσάιντερ, προχωρούν γρήγορα προς την εμπορική πραγματικότητα. Αυτές οι μπαταρίες ενσαρκώνουν μια ελκυστική ιδέα: να χρησιμοποιήσουμε απλά, άφθονα συστατικά για να λύσουμε πολύπλοκα ενεργειακά προβλήματα. Τα τελευταία χρόνια, οι εξελίξεις στη χημεία και την επιστήμη υλικών έχουν φέρει αυτή την ιδέα πολύ πιο κοντά στην υλοποίηση. Τώρα έχουμε πρωτότυπα κυψέλης αλουμινίου-θείου που μπορούν να φορτίσουν γρήγορα σε λίγα λεπτά και να λειτουργήσουν για χιλιάδες κύκλους nature.com, μπαταρίες λιθίου-θείου που φτάνουν ενεργειακές πυκνότητες που πριν μια δεκαετία ήταν όνειρο reuters.com, και ακόμη και συστήματα αλουμινίου-αέρα που ξεκινούν πραγματική υπηρεσία παρέχοντας καθαρή ενέργεια evreporter.com.

Η μετάβαση από την εξάρτησή μας σε σπάνια μέταλλα και ακριβά εισαγόμενα, προς μπαταρίες φτιαγμένες από «στοιχεία ευκαιρίας» όπως το Al και το S, θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει τη βιομηχανία μπαταριών όπως το πυρίτιο αναδιαμόρφωσε τη βιομηχανία ηλεκτρονικών – επιτρέποντας τεράστια κλιμάκωση και μείωση κόστους. Όπως είπε αστειευόμενος ο Sadoway, αυτές οι νέες μπαταρίες έχουν «ό,τι άλλο θα ονειρευόσουν να έχει μια μπαταρία: φθηνά ηλεκτρόδια, καλή ασφάλεια, ταχεία φόρτιση, ευελιξία και μεγάλη διάρκεια ζωής» news.stanford.edu. Υπάρχουν ακόμα προβλήματα προς επίλυση, αλλά η πορεία είναι ξεκάθαρη.

Τα επόμενα χρόνια, μπορούμε να περιμένουμε να ακούσουμε για πιλοτικές εφαρμογές (ίσως ένα ηλιακό πάρκο στην Καλιφόρνια που χρησιμοποιεί κυψέλες αλουμινίου-θείου του MIT, ή ένα drone με μπαταρία Lyten Li-S που σπάει ρεκόρ αντοχής). Καθώς αυξάνεται η παραγωγή, το κόστος θα πέσει ακόμη περισσότερο, και όποια τεχνικά κενά απομένουν – είτε πρόκειται για διάρκεια ζωής είτε για θερμοκρασία λειτουργίας – πιθανότατα θα λυθούν από την εντατική έρευνα που διεξάγεται παγκοσμίως.

Για το ευρύ κοινό, ο αντίκτυπος μπορεί να γίνει αισθητός με διακριτικούς αλλά σημαντικούς τρόπους: ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο φθηνότερο και με μεγαλύτερη αυτονομία, ένα smartphone που μένει φορτισμένο όλο το Σαββατοκύριακο, μια γειτονιά που διατηρεί το φως με μπαταρία όταν μια καταιγίδα ρίχνει το δίκτυο, γνωρίζοντας ότι όλα αυτά γίνονται με υλικά τόσο κοινά όσο το αλουμινόχαρτο και το λίπασμα κήπου (θείο). Η παγκόσμια ζήτηση για μπαταρίες αυξάνεται διαρκώς, και οι τεχνολογίες αλουμινίου και θείου διασφαλίζουν ότι μπορούμε να καλύψουμε αυτή τη ζήτηση με βιώσιμο τρόπο.

Ως ένας επιστήμονας που συμμετείχε στην προώθηση αυτών των μπαταριών δήλωσε αισιόδοξα, «Αυτά τα αποτελέσματα αποδεικνύουν … μια τεράστια επίδραση στην ανάπτυξη [των μπαταριών]. Είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να δούμε αυτήν την τεχνολογία στην καθημερινή μας ζωή.» anl.gov Πράγματι, το μέλλον όπου η ζωή μας θα τροφοδοτείται από αλουμίνιο και θείο – δύο από τα πιο ταπεινά στοιχεία της Γης – είναι πλέον ορατό στον ορίζοντα. Η επανάσταση στην αποθήκευση ενέργειας βρίσκεται σε εξέλιξη και χτίζεται πάνω στα θεμέλια της κοινής χημείας, της καινοτόμου μηχανικής και της επείγουσας ανάγκης για ένα καθαρότερο, φθηνότερο ενεργειακό μέλλον.

Πηγές: Οι πληροφορίες και τα αποσπάσματα σε αυτήν την αναφορά προέρχονται από πρόσφατες αξιόπιστες πηγές, συμπεριλαμβανομένων επιστημονικών μελετών με κριτές, δελτίων τύπου πανεπιστημίων, ειδήσεων του κλάδου και αναφορών του Reuters. Κύριες αναφορές περιλαμβάνουν το MIT News για τη μπαταρία αλουμινίου-θείου news.mit.edu, τις καινοτομίες του Argonne National Lab στις μπαταρίες λιθίου-θείου anl.gov, την κάλυψη του Reuters για τις εξελίξεις των Theion και Lyten reuters.com, lyten.com, και συνεντεύξεις με ηγέτες του κλάδου (π.χ. ο CEO της Phinergy για τα πλεονεκτήματα του αλουμινίου-αέρα evreporter.com). Αυτές και άλλες παραπομπές σε όλο το κείμενο παρέχουν λεπτομερή τεκμηρίωση για τους ισχυρισμούς που διατυπώνονται.