Pomaknite se, litijume: aluminijumske i sumporne baterije pokreću energetsku revoluciju

• U januaru 2024. studija u časopisu Nature Communications izvestila je o aluminijum-sumpor bateriji koja radi na 85 °C sa rastopljenim hloroaluminatnim elektrolitom, zadržavajući 85,4% svog kapaciteta nakon 1.400 ciklusa pri 1C.
• Stanfordov prototip aluminijum-jonske baterije iz 2015. koristio je aluminijumsku anodu i grafitnu katodu, omogućavajući ultra-brzo punjenje (oko jednog minuta) i preko 7.500 ciklusa na otprilike 2 V.
• Godine 2014. Phinergy je demonstrirao automobil koji je mogao da pređe oko 1.100 milja koristeći aluminijum-vazduh baterije.
• Aluminijum-vazduh baterije nude otprilike tri puta veću energetsku gustinu po težini od litijum-jonskih baterija.
• U januaru 2023. Argonne National Laboratory je demonstrirao Li–S ćelije sa redoks-aktivnim međuslojem koji je gotovo eliminisao shuttle efekat i omogućio preko 700 ciklusa.
• Litijum-sumporne ćelije su u laboratorijama pokazale energetsku gustinu oko 400–500 Wh/kg, a NASA-in SABERS projekat cilja oko 500 Wh/kg za električnu avijaciju.
• U avgustu 2022. Donald Sadoway sa MIT-a predstavio je aluminijum-sumpor bateriju sa aluminijumskom anodom i sumpornom katodom, koristeći elektrolite na bazi rastopljenih soli za omogućavanje niskih troškova i bezbednog rada.
• U oktobru 2024. Lyten je najavio planove za izgradnju prve gigafabrike Li–S baterija na svetu u Nevadi, sa ciljem od 10 GWh/godišnje do 2027.
• U martu 2025. Theion je prikupio 15 miliona evra za skaliranje litijum-sumpornih ćelija sa kristalnim sumporom, tvrdeći trostruko veću energetsku gustinu od Li-jona, trećinu cene i trećinu CO₂ emisija, sa planovima prelaska sa coin ćelija na veće pouch ćelije.
• Godine 2023. Phinergy i Indian Oil Corporation predstavili su prvo vozilo u Indiji na aluminijum-vazduh pogon, signalizirajući potencijal za primenu na tržištu.

Zamislite baterije napravljene od obične aluminijumske folije i sumpornog praha, koje napajaju sve – od domova do električnih automobila – po deliću današnjih troškova. Baterije na bazi aluminijuma i sumpora pojavljuju se kao obećavajuće alternative tradicionalnim litijum-jonskim ćelijama, nudeći primamljiv potencijal jeftinijeg, bezbednijeg i održivijeg skladištenja energije. U ovom izveštaju istražujemo šta su to aluminijumske i sumporne baterije, kako funkcionišu, koje vrste su u razvoju (uključujući i uzbudljivu kombinaciju aluminijuma i sumpora), njihove prednosti i izazove, ključne aktere koji pokreću proboje, i kako bi inovacije iz 2024–2025. mogle transformisati čistu energiju i električna vozila. (Svi izvori su navedeni radi kredibiliteta.)

Šta su aluminijumske i sumporne baterije?

Aluminijumske baterije i sumporne baterije predstavljaju dve široke porodice sledeće generacije punjivih baterijskih tehnologija koje imaju za cilj da reše ograničenja današnjih litijum-jonskih baterija. Jednostavno rečeno, one koriste aluminijum ili sumpor (ili oba) u svojim elektrokemijskim reakcijama umesto da se oslanjaju isključivo na litijumske hemije. Kao i svaka baterija, i ove imaju tri glavna dela – pozitivnu elektrodu (katodu), negativnu elektrodu (anodu) i elektrolit između koji prenosi jone tokom punjenja i pražnjenja. Ključna razlika je u hemiji: kod aluminijumskih baterija, metalni aluminijum često služi kao anoda (i u nekim dizajnima obezbeđuje jone koji nose naboj), dok kod sumpornih baterija, element sumpor tipično služi kao katodni materijal koji prihvata jone sa metalne anode (kao što je litijum ili natrijum).

Zašto istraživati aluminijum ili sumpor? Oba elementa su izuzetno rasprostranjena i jeftina u poređenju sa litijumom i kobaltom koji se koriste u Li-jonskim ćelijama. Aluminijum je najzastupljeniji metal u Zemljinoj kori i ima veoma visok teoretski kapacitet za skladištenje naelektrisanja (svaki atom Al može da otpusti 3 elektrona, što mu daje kapacitet od 2,98 Ah po gramu, što je ogromno) nature.com. Sumpor je jedan od najjeftinijih nemetala (često nusproizvod prerade nafte) i može da veže dva litijumova jona po atomu, omogućavajući veoma visok potencijal skladištenja energije nature.com, anl.gov. U principu, baterije koje koriste aluminijum ili sumpor mogle bi da skladište više energije za određenu težinu i da koštaju znatno manje od današnjih litijum-jonskih paketa. Kako objašnjavaju istraživači iz Argonne National Laboratory, „Sumpor je izuzetno rasprostranjen i isplativ i može da skladišti više energije od tradicionalnih baterija na bazi jona.” anl.gov Slično tome, aluminijum je jeftin, široko dostupan i gusto skladišti naelektrisanje i po težini i po zapremininature.com.

Još jedan veliki motivator je bezbednost i održivost. Litijum-jonske baterije koriste zapaljive organske tečne elektrolite i često zahtevaju retke metale (kao što su kobalt, nikal, litijum) koji izazivaju probleme u lancu snabdevanja i etička pitanja. Nasuprot tome, mnogi dizajni aluminijumskih i sumpornih baterija mogu koristiti nezapaljive elektrolite (kao što su jonske tečnosti ili rastopljene soli) i izbeći konfliktne minerale. Na primer, nedavni dizajn litijum-sumporne baterije koristi samo „obilno dostupne lokalne materijale, eliminišući potrebu za iskopanim mineralima kao što su nikal, kobalt, mangan i grafit,” prema startup-u Lyten lyten.com. Profesor MIT-a Donald Sadoway – vodeći inovator u oblasti baterija – eksplicitno traži „jeftine, na Zemlji rasprostranjene” sastojke kako bi izumeo nešto „mnogo bolje od litijum-jonskih baterija”, odlučivši se za aluminijum za anodu i sumpor za katodu u svojoj najnovijoj hemiji baterija news.mit.edu.

Ukratko, aluminijumske i sumporne baterije predstavljaju pokušaj da se napravi jeftinija, bezbednija i etički prihvatljivija baterija korišćenjem elemenata koji su obilni (nema globalne nestašice), jeftini i inherentno visokog kapaciteta. Sada ćemo istražiti kako ove baterije funkcionišu u praksi i različite tipove koji su u razvoju.

Kako rade? (Osnove baterija jednostavnim jezikom)

Baterije na bazi aluminijuma obično koriste aluminijum kao anodu. Kada se baterija prazni, aluminijum odaje elektrone (proizvodeći električnu struju) i aluminijumske jone (Al³⁺) koji putuju kroz elektrolit do katode. U zavisnosti od tipa baterije, ti aluminijumski joni ili se interkališu (ubacuju) u materijal katode ili reaguju sa njim. Na primer, u aluminijum-jonskoj bateriji, Al³⁺ joni prelaze u slojevitu katodu (kao što je grafit ili metalni oksid) i vraćaju se nazad tokom punjenja news.stanford.edu. U aluminijum-sumpornoj bateriji, aluminijumski joni reaguju sa sumporom na katodi i formiraju aluminijum-sumporne jedinjenja tokom pražnjenja, a zatim se vraćaju u aluminijum metal tokom punjenja nature.com. A u aluminijum-vazduh baterijama, aluminijum reaguje sa kiseonikom iz vazduha na posebnoj katodi, stvarajući aluminijum-oksid ili hidroksid – reakcija koja oslobađa električnu energiju dok se aluminijumska anoda ne potroši.

Baterije na bazi sumpora obično uključuju sumpornu katodu uparenu sa metalnom anodom (litijum je najčešći, ali se mogu koristiti i natrijum, pa čak i magnezijum ili aluminijum). Uzmimo za primer litijum-sumpornu (Li-S) bateriju: pri pražnjenju, atomi litijuma na anodi odaju elektrone i postaju litijumovi joni (Li⁺) koji putuju kroz elektrolit do sumporne katode. Sumpor (S₈ molekuli) se tamo pretvara u litijum-sulfid (Li₂S) inkorporacijom litijumovih jona – praktično, sumpor upija litijumove jone i elektrone da bi formirao nova jedinjenja, skladišteći energiju u hemijskim vezama. Tokom punjenja, ovaj proces se obrće: litijumovi joni napuštaju sumpor i vraćaju se na anodu, a sumpor se regeneriše. Pošto svaki atom sumpora može da veže dva atoma litijuma, a S₈ prstenovi mogu da se razbiju u razne litijum-polisulfidne molekule, Li-S baterije teoretski mogu da skladište 3–5 puta više energije po težini nego Li-jonske. Natrijum-sumporne (Na-S) baterije rade analogno sa natrijumovim jonima i obično formiraju natrijum-polisulfide ili natrijum-sulfid.

Kod svih ovih baterija, joni se premeštaju napred-nazad kroz elektrolit dok elektroni teku kroz spoljašnje kolo – tako se baterija puni i prazni. Elektrolit može biti tečnost, gel ili čvrsta supstanca koja omogućava kretanje jona, ali primorava elektrone da idu kroz kolo (što napaja vaš uređaj). Važno je napomenuti da neke od ovih novih hemija zahtevaju posebne elektrolite za funkcionisanje. Aluminijum-jonske baterije često koriste jone tečne ili rastopljene soli kao elektrolite jer Al³⁺ joni snažno reaguju sa tipičnim rastvaračima. Zapravo, prve punjive aluminijumske baterije postale su izvodljive tek kada su istraživači pronašli jone tečne na sobnoj temperaturi (na bazi hloraluminatnih soli) koji omogućavaju aluminijumskim jonima da lako ulaze i izlaze iz grafitne katode news.stanford.edu. Slično, litijum-sumporne baterije često koriste modifikovane tečne elektrolite ili čvrste elektrolite da bi sprečile probleme o kojima ćemo kasnije govoriti (kao što je curenje sumpora u elektrolit).

Da rezimiramo jednostavno: aluminijumske baterije proizvode energiju tako što aluminijumski metal otpušta više elektrona po atomu (neverovatno visok naboj po atomu metala) i formira veze ili sa katodom domaćinom ili sa kiseonikom/sumporom, dok sumporne baterije proizvode energiju tako što lagan, obilan element (sumpor) hvata jone metala i elektrone u energetski bogata jedinjenja. Oba dizajna nas pomeraju dalje od prenosa jednog litijum-jona kod trenutnih baterija, potencijalno omogućavajući više energije po punjenju. Sledeće, pogledajmo konkretne vrste ovih baterija koje su u razvoju.

Tipovi baterija na bazi aluminijuma

Istraživači proučavaju nekoliko tipova baterija koje koriste aluminijum na različite načine:

• Punjive aluminijum-jonske baterije (Al-jonske): Ove baterije koriste aluminijumski metal kao anodu i obično grafitnu katodu sa specijalnim jonskim tečnim elektrolitom. Poznat rani primer dolazi sa Univerziteta Stanford iz 2015. godine, gde su naučnici demonstrirali prototip aluminijum-jonske baterije sa aluminijumskom anodom i grafitnom katodom u jonskoj tečnosti. Pokazala je ultra-brzo punjenje (mala ćelija se mogla napuniti za oko jedan minut!) i izuzetno dug vek trajanja (preko 7.500 ciklusa punjenja bez gubitka kapaciteta) news.stanford.edu. Stanford ćelija je takođe bila veoma bezbedna – istraživači su mogli da izbuše kesicu ćelije bez opasnosti od požara, za razliku od litijumskih ćelija news.stanford.edu. Međutim, imala je niži napon (~2 volta, otprilike polovina napona tipične Li-jonske ćelije) news.stanford.edu, što znači da bi bilo potrebno više ćelija u seriji da bi se dostigli korisni naponi. Ključna prednost: Al-jonske baterije obećavaju brzo punjenje, dug vek trajanja i poboljšanu bezbednost (bez komponenti sklonih požaru), koristeći jeftine materijale (aluminijum i ugljenik) news.stanford.edu. Istraživanja su u toku sa ciljem da se poveća njihova energetska gustina pronalaženjem boljih katoda i elektrolita za povećanje napona i kapaciteta news.stanford.edu. Više grupa širom sveta (od Stanforda do kineskih univerziteta news.mit.edu) unapređuje aluminijum-jonsku tehnologiju. Na primer, istraživači ispituju razne materijale za katodu (čak i metalne sulfide nature.com) kako bi efikasnije skladištili aluminijumske jone nature.com.
• Aluminijum-vazduh baterije: Aluminijum-vazduh je primarna baterija (ne može se puniti električnom energijom, ali se potencijalno može mehanički „dopunjavati“) u kojoj aluminijumski metal reaguje sa kiseonikom iz vazduha kako bi generisao električnu energiju. Ove ćelije imaju impresivno visoku energetsku gustinu jer je katoda samo ambijentalni vazduh – što bateriju čini izuzetno laganom. Zapravo, aluminijum-vazduh pakovanja mogu imati oko 3 puta više energije po težini od litijum-jonskih na sistemskom nivou evreporter.com. Mana je što, kada se aluminijumska anoda oksiduje u aluminijum-hidroksid ili oksid, ćelija je „potrošena“ i potrebna je nova aluminijumska ploča za nastavak rada. Ovo čini aluminijum-vazduh baterije sličnijim gorivnim ćelijama ili produživaču dometa: zamenili biste aluminijumsku ploču (i reciklirali iskorišćenu) umesto da je priključite na punjenje. Kompanije poput Phinergy iz Izraela već godinama pionirski razvijaju aluminijum-vazduh sisteme. U partnerstvu sa Indian Oil Corporation, oni testiraju aluminijum-vazduh baterije u električnim vozilima i stacionarnim rezervnim jedinicama. Godine 2023. demonstrirali su mali električni automobil u Indiji koji je prešao više od 500 km na aluminijum-vazduh ćelije pre nego što je bila potrebna „dopuna“ aluminijumaevreporter.com. Generalni direktor Phinergy-ja David Mayer ističe da je aluminijum-vazduh tehnologija „sigurna, nezapaljiva,“ zahteva bez teške infrastrukture za punjenje, i može se „napuniti“ (zamenom aluminijuma) „za nekoliko minuta“ umesto sati evreporter.com. Nedostatak je uspostavljanje čitavog lanca snabdevanja za masovnu proizvodnju i reciklažu aluminijumskih ploča. Ipak, ova tehnologija je već komercijalno dostupna u određenim nišama: npr. Phinergy-jeve aluminijum-vazduh jedinice koriste se kao rezervno napajanje za telekom tornjeve (umesto dizel generatora) u Izraelu i Evropi evreporter.com. Aluminijum-vazduh baterije možda neće direktno zameniti punjivu bateriju u vašem telefonu, ali bi mogle služiti kao produživači dometa za električna vozila ili za dugotrajno skladištenje – obezbeđujući ogroman energetski rezervoar koji povremeno zamenjujete.
• Aluminijum-sumpor baterije: Zanimljivo je da neki istraživači kombinuju aluminijum i sumpor u jednoj bateriji – koristeći aluminijum kao anodu i sumpor kao katodu, sa elektrolitom od rastopljene soli ili jonske tečnosti. Ovaj hibridni pristup pokušava da iskoristi najbolje od oba elementa: visoki kapacitet anode aluminijuma i visoki kapacitet katode sumpora, sve to uz neverovatno jeftine materijale. U avgustu 2022. godine, tim predvođen Donaldom Sadoejem sa MIT-a predstavio je novi dizajn aluminijum-sumpor baterije koji je odmah privukao pažnju zbog niske cene i performansi. Koristi rastopljene hloro-aluminatne soli kao elektrolit, koji rade na umerenoj temperaturi (oko 110 °C, slično kao šolja vruće kafe) da bi so ostala tečna news.mit.edu. Zagrejani elektrolit je bio pametan izbor: ne samo da nije zapaljiv i jeftin je, već je i sprečavao stvaranje dendrita – onih dosadnih metalnih šiljaka koji mogu izazvati kratki spoj u baterijama. Kako je Sadoej rekao, izabrana so „praktično je eliminisala ove nekontrolisane dendrite, a istovremeno omogućila veoma brzo punjenje” news.mit.edu. Njegova aluminijum-sumpor prototip ćelija mogla je da se napuni za manje od minuta bez kratkog spoja, i radila je stotine ciklusa sa procenjenom cenom po ćeliji oko jedne šestine cene uporedivih litijum-jonskih ćelija news.mit.edu. Ovo je ogromno smanjenje troškova, što su potvrdili i nezavisni analitičari; troškovi materijala za ove baterije mogli bi biti 85% niži od litijum-jonskih prema časopisu Science news.mit.edu. Vizija je da se ovakve ćelije koriste za stacionarno skladištenje (npr. skladištenje solarne energije za noćnu upotrebu) i možda za podršku brzom punjenju električnih vozila. Sadoejev dizajn komercijalizuje startap pod nazivom Avanti, koji ima za cilj da poveća proizvodnju ćelija i sprovede testove izdržljivosti u bliskoj budućnosti news.mit.edu. U međuvremenu, druge grupe dodatno razvijaju koncept aluminijum-sumpor baterija: u januaru 2024. godine, istraživači iz Kine su izvestili o punjivoj Al-S bateriji koja može da radi na 85 °C (nešto ispod tačke ključanja vode, još lakše za održavanje) sa odličnim vekom trajanja – preko 1.400 ciklusa sa samo 15% gubitka kapaciteta, i mogućnošću brzog punjenja na toj temperaturi nature.com. Smanjenje radne temperature ispod 100 °C znači da bi jednostavno grejanje toplom vodom moglo održavati bateriju, što „značajno pojednostavljuje” termalno upravljanje i otvara vrata za širu primenu nature.com. Zaključak: Aluminijum-sumpor baterije bi mogle postati revolucionarno rešenje za skladištenje energije u mreži i možda za određene…u vozilima, isporučujući ultra-jeftine, na vatru otporne baterije koje koriste aluminijum, koji je najzastupljeniji metal na Zemlji, i sumpor (najjeftiniji nemetali) news.mit.edu.

Tipovi baterija na bazi sumpora

Nekoliko tehnologija baterija koristi katode od sumpora u kombinaciji sa različitim anodama:

• Litijum-sumporne (Li-S) baterije: Litijum-sumporna hemija je jedna od najviše proučavanih „post-litijumskih“ hemija zbog svog izuzetno visokog energetskog potencijala. Li-S ćelija može teoretski da skladišti do 5 puta više energije po težini od litijum-jonske ćelije, jer je sumpor veoma lagan i svaki atom sumpora može da veže više atoma litijuma. U praksi, Li-S baterije su već pokazale energetske gustine od oko 400–500 Wh/kg (otprilike duplo više od Li-jona) u laboratorijama businessaviation.aero, apricum-group.com. Takođe su privlačne jer su veoma jeftine i ekološke – sumpor skoro ništa ne košta i ima ga u izobilju, a Li-S ćelije ne sadrže kobalt ni nikl. Ipak, Ahilova peta Li-S baterija bila je dugovečnost i stabilnost. Tradicionalni Li-S prototipovi su patili od efekta „polisulfidnog šatla“: međuproizvodi sumpora (polisulfidi) rastvaraju se u elektrolitu tokom cikliranja i migriraju do litijumske anode, uzrokujući samopražnjenje, koroziju i brzo opadanje kapaciteta anl.gov. Takođe dolazi do značajnog „disanja“ (promene zapremine) – sumpor se znatno širi i skuplja tokom punjenja/pražnjenja, što može oštetiti strukturu ćelije reuters.com. Ovi problemi su značili da su rane Li-S baterije otkazivale posle samo nekoliko desetina ciklusa. Dobra vest je da nedavni proboji rešavaju ove probleme. Istraživači su razvili katode od nanostrukturisanog ugljenika i aditive za elektrolit koji hvataju polisulfide i produžavaju vek trajanja nature.com. U januaru 2023. Argonne National Lab je demonstrirao Li-S ćeliju sa specijalnim poroznim „redoks-aktivnim“ međuslojem koji je gotovo eliminisao problem šatla, omogućivši bateriji da izdrži preko 700 ciklusa uz zadržavanje visokog kapaciteta anl.gov. „Prethodne [sumporne] baterije su samo suzbijale šatl, ali su žrtvovale energiju. Naš sloj dodaje kapacitet za skladištenje i suzbija šatl“, objasnio je hemičar iz Argonnea Guiliang Xu anl.gov. Ovo sugeriše da Li-S baterije mogu biti i visokokapacitetne i dugotrajne. Zapravo, kompanije se sada utrkuju da ih komercijalizuju: Lyten, startap iz Kalifornije, razvio je litijum-sumpornu ćeliju ojačanu vlasničkim 3D grafenskim materijalima i cilja na specijalizovana tržišta kao što su dronovi, vazduhoplovstvo i odbrana u periodu 2024–2025 lyten.com. Lyten tvrdi da su njihove Li-S baterije 40% lakše od današnjih litijum-jonskih (i 60% lakše od baterija na bazi gvožđe-fosfata), dok su jeftinije u masovnoj proizvodnji zahvaljujući eliminaciji nikla, kobalta i drugih skupih materijala lyten.com. Druga kompanija, Theion (Nemačka), radi na katodama od kristalnog sumpora i nedavno je izvestila o Li-S ćelijama sa 3× većom energetskom gustinom od Li-jona, po samo trećini cene, i potencijalno trećinom emisija tokom proizvodnje reuters.com. CEO kompanije Theion, Ulrich Ehmes, rekao je da bi njihove baterije – koje izbegavaju probleme sa korozijom korišćenjem stabilnog oblika sumpora i unapred proširenim dizajnom – mogle biti u električnim vozilima „pre kraja decenije“ ako razvoj ostane na pravom putu reuters.com. Ukratko, litijum-sumporne baterije su na pragu prelaska iz laboratorije na tržište, obećavajući ultra-lake, visokoeenergetske pakete za primene gde je važan svaki kilogram (električni avioni, električna vozila velikog dometa, svemir).
• Natrijum-sumporne (Na-S) baterije: Natrijum i sumpor možda zvuče kao neočekivan par (natrijum je izuzetno reaktivan, a rane Na-S baterije su radile vruće na 300°C), ali ova hemija ima dugu tradiciju u skladištenju energije za elektroenergetske mreže. Visokotemperaturne Na-S baterije se koriste za skladištenje energije u velikim razmerama već decenijama (posebno od strane NGK u Japanu) – rade sa rastopljenim natrijumom i sumporom odvojenim čvrstim keramičkim elektrolitom, pružajući dobru efikasnost i dugovečnost za stacionarno skladištenje. Međutim, potreba da se održavaju na ~300 °C ograničila je širu upotrebu. Nedavno je poraslo interesovanje za natrijum-sumporne baterije na sobnoj temperaturi koje bi mogle ponuditi jeftinu i sigurnu alternativu za skladištenje velikih razmera. Krajem 2022. godine, tim sa Univerziteta u Sidneju najavio je „jeftinu bateriju sa četiri puta većim kapacitetom od litijum-jonske” koristeći novi Na-S dizajn na sobnoj temperaturi sydney.edu.au. Korišćenjem porozne ugljenične elektrode i jednostavnog termičkog tretmana (pirolize) za stvaranje reaktivnijeg oblika sumpora, postigli su izuzetno visok kapacitet i izuzetno dug vek trajanja na sobnoj temperaturi, prevazilazeći prethodnu „sporost” Na-S baterija sydney.edu.au. Glavni istraživač dr Shenlong Zhao izjavio je da ova natrijum-sumporna baterija „ima potencijal da dramatično smanji troškove, a pritom pruži četiri puta veći kapacitet skladištenja. Ovo je značajan proboj za razvoj obnovljive energije…” sydney.edu.au. Zaista, natrijum i sumpor su još dostupniji i jeftiniji od litijuma, pa bi uspešna Na-S baterija mogla biti od velikog značaja za skladištenje energije u mreži – omogućavajući velike baterije za vetro/solarne elektrane uz minimalne troškove. Iako Na-S ćelije ne mogu da pariraju Li-jonskim za potrebe kompaktnih električnih vozila (natrijum je teži, a ove ćelije su trenutno većeg formata), one bi mogle postati ključni deo infrastrukture čiste energije, nudeći sigurno i jeftino skladištenje za vreme kada sunce ne sija ili vetar ne duva sydney.edu.au. Istraživanja se nastavljaju širom sveta (Kina, Australija, Evropa) kako bi se usavršile Na-S baterije na sobnoj temperaturi za komercijalizaciju.
• Ostale baterije na bazi sumpora: Pored Li-S i Na-S, istraživači su eksperimentisali sa katodama od sumpora u kombinaciji sa drugim metalima kao što su magnezijum ili kalcijum, pa čak i uparivanjem sumpora sa aluminijumom (kao što je ranije pomenuto). Ove baterije sa multivalentnim metalima i sumporom (gde metalni jon nosi više od jednog naelektrisanja, npr. Al³⁺ ili Mg²⁺) privlačne su iz istog razloga kao aluminijum ili sumpor pojedinačno – zbog obilja i visokog kapaciteta – ali se suočavaju sa još složenijom hemijom i uglavnom su u ranim fazama istraživanja advanced.onlinelibrary.wiley.com. Na primer, magnezijum-sumpor ćelije imaju problem sa kompatibilnošću elektrolita i sporom kinetikom. Čvrstotelesne baterije na bazi sumpora predstavljaju još jednu najsavremeniju varijaciju: korišćenjem čvrstog elektrolita (često sulfida ili polimera), naučnici nastoje da naprave Li-S ćelije koje su bezbednije (bez zapaljive tečnosti) i koje u potpunosti suzbijaju „shuttle“ efekat polisulfida onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA aktivno razvija čvrstotelesnu litijum-sumpor bateriju (projekat SABERS) koristeći katodu od sumpora i selena i novi čvrsti elektrolit, postižući gustinu energije od oko 500 Wh/kg, što je pogodno za električnu avijaciju businessaviation.aero. Privlačnost sumpora – lagan, obilan, snažan – stavila ga je u centar mnogih futurističkih koncepata baterija.

Nakon što smo obradili vrste baterija na bazi aluminijuma i sumpora, sada možemo uporediti kako se ove tehnologije porede sa vladajućim litijum-jonskim baterijama i koje jedinstvene prednosti nude.

Ključne prednosti i koristi u odnosu na litijum-jonske baterije

I baterije na bazi aluminijuma i na bazi sumpora obećavaju značajne prednosti u pogledu cene, održivosti i performansi, ukoliko se njihov razvoj uspešno nastavi. Evo ključnih koristi:

• 🌎 Obilni, jeftini materijali: Aluminijum i sumpor su jeftini i dostupni gotovo svuda. Aluminijum je najzastupljeniji metal u Zemljinoj kori, a sumpor je čest nusproizvod rafiniranja. Ovo znači da troškovi materijala mogu biti drastično niži. Izveštaj časopisa Science navodi da sirovine za aluminijum-sumpor baterije mogu biti 85% jeftinije od onih za litijum-jonske baterije news.mit.edu. Theion (startap za sumporne baterije) slično tvrdi da će njihove ćelije koštati samo trećinu cene Li-jonskih ćelija reuters.com. Kako Sadoway kaže, ove baterije su „etički nabavljene, jeftine, [i] efikasne” news.mit.edu – izbegavaju skupe metale koji su često povezani sa problematičnim rudarstvom. Korišćenje obilnih resursa takođe znači manje uskih grla u snabdevanju; nećemo se suočavati sa nestašicama litijuma ili kobalta ako aluminijum-sumpor baterije postanu popularne.
• 🔥 Poboljšana bezbednost (nezapaljive): Mnoge nove aluminijum/sumpor baterije dizajnirane su da budu znatno bezbednije. Umesto zapaljivih organskih elektrolita, mogu koristiti neorganske rastopljene soli ili čvrste elektrolite koji se ne zapale news.mit.edu. Aluminijum-jonske i aluminijum-sumpor ćelije koje su demonstrirali Stanford i MIT „neće se zapaliti, čak i ako ih izbušite” ili rade na visokim temperaturama news.stanford.edu, news.mit.edu. Takođe, sumporne katode u kombinaciji sa čvrstim ili gel elektrolitima mogu bolje da odole toplotnom bekstvu od konvencionalnih Li-jonskih baterija. Phinergy-jev aluminijum-vazduh sistem je po svojoj prirodi nezapaljiv i „bezbedan, nezapaljiv” u radu evreporter.com. Povećana bezbednost ne samo da štiti korisnike, već i pojednostavljuje transport i proizvodnju (nema potrebe za skupim hlađenjem ili protivpožarnim sistemima u baterijskim paketima).
• ⚡ Visoka gustina energije i mala težina: Obe hemije nude potencijal za veće skladištenje energije po težini u odnosu na današnje baterije. Na primer, litijum-sumporne baterije su postigle oko 500 Wh/kg u prototipovima businessaviation.aero – otprilike duplo više od najboljih Li-jonskih baterija, što omogućava znatno lakše baterijske pakete. Lyten navodi da će njihove Li-S ćelije biti do 40% lakše od Li-jonskih paketa za istu količinu energije lyten.com. Theion cilja na 3x veću gustinu energije od Li-jona reuters.com. Za električna vozila i avione, ovo bi moglo značiti veći domet ili veći teret za istu težinu baterije. Aluminijum-vazduh baterije imaju izuzetno visoku gustinu energije (korišćene su za postavljanje rekorda vožnje električnog vozila od 1.100 milja na jedan “rezervoar” aluminijum-vazduh pre nekoliko godina), mada je potrebno dopunjavanje. Čak i aluminijum-jonske baterije, iako imaju nižu teorijsku energiju od Li-S, mogu se istaknuti u gustini snage – Stanfordova ćelija može se potpuno napuniti za jedan minut news.stanford.edu, što nagoveštava baterije koje se pune brzo kao što se puni rezervoar goriva. Ukratko, ove tehnologije bi mogle omogućiti ili mnogo više energije (za dugotrajnu upotrebu) ili mnogo brže pražnjenje/punjenje u odnosu na Li-jonske baterije, ili obe opcije.
• 🔋 Potencijal za dug vek trajanja: Pravilno projektovane, aluminijumske i sumporne baterije mogu trajati jednako dugo ili duže od Li-jonskih. Anode od aluminijuma ne formiraju iste vrste dendrita kao litijum (posebno uz odgovarajuće elektrolite) news.mit.edu, pa mogu biti veoma izdržljive. Stanfordova Al-jonska ćelija izdržala je više od 7.500 ciklusa (red veličine više od Li-jonskih) news.stanford.edu. Sumporne ćelije su istorijski imale slab vek trajanja, ali novi dizajni (interlejere, čvrsto stanje itd.) postižu stotine ili hiljade ciklusa sa minimalnim gubicima anl.gov, nature.com. Za stacionarno skladištenje, baterija koja pouzdano radi svaki dan više od 10 godina je ključna, a razvojni timovi ovih hemija su veoma fokusirani na stabilnost.
• ♻️ Ekološke i etičke prednosti: Pošto koriste lako dostupne materijale, ove baterije izbegavaju ekološku štetu povezanu sa iskopavanjem i preradom retkih metala kao što su kobalt, nikal i litijum. Takođe dolazi do smanjenja ugrađenog ugljeničnog otiska baterije. Theion procenjuje da će njihove ćelije sa sumpornim baterijama emitovati samo jednu trećinu CO₂ tokom proizvodnje u poređenju sa Li-jonskim ćelijama reuters.com. Sumpor je često otpadni proizvod (milioni tona stoje na zalihama), tako da se njegova upotreba u baterijama praktično svodi na reciklažu industrijskog otpada. Aluminijum je takođe veoma pogodan za reciklažu – postojeća globalna infrastruktura za reciklažu može se iskoristiti za lako izdvajanje aluminijuma iz potrošenih baterija. Sa etičke strane, upotreba sumpora i aluminijuma zaobilazi probleme dečijeg rada i ljudskih prava koji prate iskopavanje kobalta. Svi ovi faktori znače da bi baterije nove generacije mogle biti održivije i društveno odgovornije tokom celog svog životnog ciklusa.
• 💡 Brzo punjenje i velika snaga: Neki aluminijum/sumpor dizajni pokazuju ultra-brzu mogućnost punjenja. Već smo pomenuli punjenje za 60 sekundi u laboratorijskim testovima news.stanford.edu. Dodatno, aluminijum-sumporne ćelije u laboratoriji su radile na veoma visokim brzinama punjenja (npr. punjenje na 1C ili više na povišenoj temperaturi uz odličnu zadržanost kapaciteta) nature.com. Aluminijum-vazduh baterije mogu se „napuniti“ trenutno zamenom aluminijuma. Ove karakteristike bi mogle da ublaže jednu od najvećih zamerki potrošača na EV i gedžete – dugo vreme punjenja – i takođe obezbede veliku izlaznu snagu kada je to potrebno (zamislite električne alate ili EV sa aluminijumskim baterijama koje daju snažan udarac bez pada napona).

Važno je napomenuti da se ne odnosi svaka od ovih prednosti jednako na sve varijante (na primer, aluminijum-vazduh daje veliku energiju, ali se ne može električno puniti; aluminijum-jonske se brzo pune, ali imaju niži napon; Li-S je veoma lagan, ali trenutno ima umereni broj ciklusa). Ipak, opšte obećanje aluminijumskih i sumpornih baterija je da možemo drastično smanjiti troškove i zavisnost od retkih materijala, a istovremeno pružiti jednaku ili bolju performansu u ključnim oblastima bezbednosti, energije i snage.

Izazovi i tehničke prepreke

Ako su aluminijumske i sumporne baterije tako dobre, zašto ih još uvek nema svuda? Istina je da se ove tehnologije suočavaju sa značajnim izazovima koje istraživači i inženjeri još uvek pokušavaju da prevaziđu:

• Polisulfidni šatl i degradacija katode (problemi sa sumporom): Kod litijum-sumpor i drugih baterija sa katodom od sumpora, ozloglašeni problem polisulfidnog šatla bio je glavna prepreka. Tokom ciklusa baterije, sumpor prolazi kroz međufaze koje se mogu rastvoriti u elektrolitu i preći do anode, uzrokujući samopražnjenje, gubitak aktivnog materijala i čak štetne reakcije sa anodom anl.gov. Ovo dovodi do brzog opadanja kapaciteta. Štaviše, katode od sumpora imaju tendenciju da se šire i skupljaju značajno (do ~80% promene zapremine) dok se pretvaraju u litijum-sulfid i nazad reuters.com. Ovo „disanje” može tokom vremena da usitni katodu ili da je odvoji od kolektora struje. Iako su nove strategije (kao što su dodavanje zaštitnih međuslojeva anl.gov, korišćenje nanostrukturiranih ugljeničnih nosača ili čvrstih elektrolita) ublažile ove probleme, obezbeđivanje da baterija sa sumporom može da traje stotine ciklusa u realnim uslovima ostaje ključni izazov.
• Dendriti i problemi sa taloženjem (metalne anode): Anode od aluminijuma, kao i druge metalne anode, mogu formirati dendrite (tanke, provodne filamentne strukture) tokom punjenja, što može dovesti do kratkog spoja u ćeliji. Zapravo, glavni razlog zašto su aluminijumske baterije dugo bile neuspešne bio je taj što niko nije mogao da postigne pouzdano taloženje/uklanjanje aluminijuma – često bi se formirao „mahovinasti” talog ili bi se deaktivirao stvaranjem površinskog oksida. Jonski tečni i rastopljeni soli elektroliti su u velikoj meri uspeli da „ukrote” ovaj problem (jedan tim je izvestio da njihova aluminijumska baterija sa rastopljenim solima „nikada nije izgubila ćeliju zbog kratkog spoja izazvanog dendritima” u testovima brzog punjenja news.mit.edu). Ali ako bi se koristio konvencionalniji elektrolit, dendriti ili sporedne reakcije sa aluminijumskim oksidnim slojem mogli bi biti problematični. Slično, ako se litijum-metal koristi kao anoda u baterijama sa sumporom (što je uobičajeno u Li-S dizajnu), pojavljuju se litijumski dendriti i problemi sa bezbednošću, naročito ako se koriste tečni elektroliti. Istraživači često kombinuju Li-S sa zaštitnim membranama ili čvrstim dizajnom kako bi sprečili formiranje litijumskih dendrita.
• Nizak radni napon i energetska efikasnost (Aluminijumski jon): Aluminijumske jonske baterije, posebno one koje koriste interkalaciju (npr. grafitne katode), obično imaju niži napon ćelije od litijum-jonskih. Stanfordova poznata aluminijumsko-jonska ćelija proizvodila je oko 2,0 volta news.stanford.edu, dok je litijum-jonska ćelija ~3,7 V nominalno. Ovo je delimično zbog hemije interkalacije Al³⁺ i ograničenja elektrolita. Niži napon znači da je potrebno više ćelija u seriji (što dodaje složenost i određeni gubitak energije) da bi se dostigao željeni napon baterijskog paketa. Tu je i pitanje multivalentnih jona kao što je Al³⁺, koji imaju sporu kinetiku u čvrstim materijama – pomeranje jona sa +3 naelektrisanjem je teže nego jona sa +1 kao što je Li⁺, pa je postizanje velike snage teško osim ako se temperatura ne poveća ili se ne koriste posebni elektroliti nature.com. Neke aluminijumske baterije dobro rade samo na povišenim temperaturama (60–100 °C), što može zakomplikovati njihovu upotrebu u potrošačkoj elektronici (niko ne želi stalno vruću bateriju u telefonu!). Dobra vest: inovacije u elektrolitima (kao što je dodavanje određenih soli ili korišćenje novih mešavina) poboljšavaju provodljivost aluminijum-jona na nižim temperaturama nature.com.
• Zahtevi za temperaturu: Kao što je pomenuto, nekoliko aluminijumskih i natrijumskih dizajna koristi elektrolite na bazi rastopljenih soli koji moraju biti topli. Na primer, MIT aluminijum-sumporna baterija optimalno radi na oko 110 °C news.mit.edu, a čak i poboljšana varijanta radi na 85 °C nature.com. Iako ovo nije ekstremno visoko za industrijske standarde, znači da bi baterijski paket zahtevao izolaciju i možda mali grejač da bi ostao u odgovarajućem opsegu. Ovo je u redu za stacionarno skladištenje (gde baterija veličine frižidera može imati termalno upravljanje), ali je izazov za prenosive uređaje i električna vozila osim ako se toplota ne može samoodržavati (Sadoway-ova ćelija zapravo sama generiše toplotu tokom ciklusa da bi održala temperaturu news.mit.edu). Rad na visokim temperaturama takođe zahteva robusno zaptivanje i bezbednosne mere (mada je prednost što nema rizika od požara). Istraživači rade na snižavanju radnih temperatura i čak istražuju hemije koje rade na sobnoj temperaturi za sisteme na bazi Al i Na nature.com.
• Infrastruktura za punjenje i „dopunjavanje goriva“ (Al-Air): Ono što je jedinstveno za aluminijum-vazduh (i slične metal-vazduh sisteme) jeste to što se oni ne mogu puniti tako što ih priključite na punjač. Potrebno je da zamenite ili reciklirate aluminijumsku anodu kada se potroši. Ovo zahteva stvaranje cele infrastrukture za zamenu aluminijumskih ploča ili patrona, prikupljanje potrošenih i reciklažu aluminijuma (verovatno kroz proces topljenja na električni pogon, što efektivno „dopunjava“ aluminijum). Indian Oil i Phinergy aktivno rade na ovom ekosistemu evreporter.com, ali to je drugačiji model u odnosu na benzinske pumpe ili stanice za punjenje. Bez široke podrške, aluminijum-vazduh bi mogao ostati niša. Dodatno, nusproizvod aluminijum-vazduh sistema (aluminijum-hidroksid) mora se zbrinuti – iako se može reciklirati u novi aluminijum ili druge proizvode.
• Povećanje proizvodnje i integracija: Litijum-jonska tehnologija ima prednost od 30 godina sa masovnom proizvodnjom, optimizovanim lancima snabdevanja i obučenom radnom snagom. Svaka nova hemija baterija suočava se sa izazovom prelaska iz laboratorije ili pilot faze na nivo gigafabrike. Aluminijumske i sumporne baterije mogu zahtevati nove proizvodne procese (na primer, rukovanje jonima osetljivim na vlagu ili čvrstim elektrolitima, ili nove dizajne ćelija kao što su Theion-ove složene elektrode). Povećanje proizvodnje bez defekata i po niskoj ceni nije trivijalno. Tu je i pitanje integracije – mogu li se ove nove baterije jednostavno ugraditi u postojeće uređaje ili vozila, ili su potrebni novi dizajni? Različiti naponski profili, oblici ili radni uslovi mogu značiti da je potrebno preraditi sve, od sistema za upravljanje baterijama do dizajna šasije automobila. Ovi prelazni troškovi i neizvesnosti mogu usporiti usvajanje.
• Trenutni status (spremnost tehnologije): Iako su 2024. i 2025. donele velika otkrića (o kojima ćemo uskoro), mnoge aluminijumske i sumporne baterijske tehnologije su još uvek u prototipskoj ili ranoj komercijalnoj fazi. Nijedna još nije doživela masovnu primenu kakvu ima litijum-jonska tehnologija. Na primer, litijum-sumporne ćelije tek sada ulaze na ograničena tržišta poput dronova i satelita, gde se njihov kratak vek može tolerisati ili ublažiti. Aluminijum-sumporne i aluminijum-jonske su u fazi demonstracije i povećanja obima; nijedan električni automobil ili mreža još nema veliku takvu bateriju u punoj upotrebi. To znači da i dalje postoji rizik od nepredviđenih problema u realnoj upotrebi (setite se kako su litijum-jonske baterije imale incidente sa termalnim begom u ranim fazama). Biće potrebno vreme, ulaganja i verovatno nekoliko iteracija pre nego što ove tehnologije postanu pouzdane kao postojeće. Kao skeptična napomena: litijum-jonske baterije se takođe svake godine poboljšavaju – sa novim hemijama kao što su litijum-gvožđe-fosfat (LFP) i litijum-metal čvrsto stanje na horizontu – tako da aluminijumske i sumporne baterije moraju ne samo da rade, već i da se takmiče sa sve boljom postojećom tehnologijom.

Ukratko, aluminijumske i sumporne baterije imaju ogroman potencijal, ali takođe predstavljaju jedinstvene izazove. Istraživači iskreno priznaju da je potrebno još rada; kako je jedan tim napisao 2022. godine, uprkos napretku, „Al–S baterije su istorijski imale lošu sposobnost brzog punjenja i stabilnost ciklusa”, što zahteva kontinuirane inovacije u elektrolitima i elektrodama nature.com. Prevazilaženje ovih izazova upravo je ono na šta su mnoge laboratorije i startapi trenutno fokusirani.

Ko predvodi trku? Glavni akteri u razvoju

Ova uzbudljiva oblast okuplja akademske laboratorije, startape i industrijske gigante koji pomeraju granice. Evo nekih od najznačajnijih aktera i čime se bave:

• Massachusetts Institute of Technology (MIT) & Avanti: MIT je žarište inovativnih istraživanja baterija. Grupa profesora Donalda Sadowaya na MIT-u predvodila je koncept aluminijum-sumpor baterije. Nakon što su objavili revolucionarne rezultate u Nature 2022. godine, Sadoway je suosnovao Avanti kako bi komercijalizovao ovu tehnologiju news.mit.edu. Cilj kompanije Avanti je da poveća proizvodnju aluminijum-sumpor ćelija za stacionarno skladištenje i šire. Sadoway je poznat i po tome što je suosnovao Ambri, kompaniju koja komercijalizuje baterije sa tečnim metalom (koristeći različite hemije poput kalcijuma i antimona). Ambri cilja skladištenje energije u velikim razmerama i navodno je implementirao sisteme 2024. godine youtube.com. Između Ambri i Avanti, Sadowayeve inovacije mogle bi pokriti velike baterije za elektroprivredu do manjih baterija za zgrade ili stanice za punjenje električnih vozila news.mit.edu. Uticaj MIT-a tu ne prestaje – njegovi istraživači takođe istražuju litijum-sumpor u projektima, a institut često sarađuje sa nacionalnim laboratorijama i kompanijama na najsavremenijim baterijskim tehnologijama.
• Univerzitet Stanford i SLAC: Stanford je rano privukao pažnju aluminijum-jonskim baterijama (prototip Al-jonske baterije sa brzim punjenjem iz 2015. godine news.stanford.edu). Taj rad, pod vođstvom profesora Hongjie Dai-a, pokazao je da jednostavna grafitna katoda može omogućiti punjivu aluminijumsku bateriju. Stanford nastavlja sa istraživanjem baterija; na primer, SLAC (Stanfordov laboratorija za linearne akceleratore) je proučavao nove katode za aluminijumske baterije poput metalnih sulfida nature.com, i istraživao interfejsnu hemiju radi poboljšanja cikliranja. Iako otkriće sa Stanforda iz 2015. još uvek nije preraslo u komercijalni proizvod, pokazalo je izvodljivost i citirano je u mnogim kasnijim studijama. Takođe je naglasilo Stanfordovu etiku otvorenog istraživanja koje vodi ka usvajanju u industriji (neki bivši studenti sa Stanforda koji su radili na baterijama pridružili su se startapima ili osnovali sopstvene u oblasti startapa za baterije u zalivskom području).
• Graphene Manufacturing Group (GMG) i Univerzitet Kvinslend: U Australiji, GMG (u saradnji sa Univerzitetom Kvinslend) razvija grafen-aluminijum-jonsku bateriju. Prijavili su impresivne performanse u prototipima u obliku novčića – sa izuzetno brzim punjenjem i dugim vekom trajanja – koristeći grafen (oblik ugljenika) kao materijal za katodu u aluminijum-jonskoj konfiguraciji batteriesnews.com. GMG ima za cilj da svoju tehnologiju proširi na ćelije u obliku kesica pogodne za potrošačku elektroniku ili električna vozila, a krajem 2022. imali su razvojni program i pilot proizvodnu liniju u pripremi graphenemg.com. Njihov pristup naglašava sinergiju nanomaterijala (grafen) sa novim hemijama poput aluminijum-jonske radi postizanja boljih rezultata.
• Phinergy i Indian Oil (IOC): Phinergy je izraelski startap koji je pionir u oblasti aluminijum-vazduh baterija više od decenije. Postali su poznati kada su 2014. godine demonstrirali automobil koji je prešao 1.100 milja koristeći aluminijum-vazduh bateriju, a od tada su se fokusirali na stvarne proizvode za rezervno napajanje i produženje dometa električnih vozila. Phinergy je sklopio partnerstvo sa Indian Oil Corporation i formirao zajedničko preduzeće (IOC Phinergy) koje donosi tehnologiju aluminijum-vazduh na indijsko tržište – što je potencijalno ogromno za zemlju koja želi da pronađe alternative nafti i iskoristi svoju industriju aluminijuma. Početkom 2023. godine, IOC Phinergy je predstavio prvo vozilo u Indiji na aluminijum-vazduh pogon i postavljao infrastrukturu za proizvodnju i reciklažu ploča alcircle.com. Indijska vlada je takođe pokazala interesovanje, jer aluminijum-vazduh može smanjiti zavisnost od uvoznog litijuma. Phinergy-jeva tehnologija se već komercijalno koristi za rezervno napajanje telekom tornjeva (gde zamenjuje dizel generatore sistemima na aluminijum-vazduh bez emisija) evreporter.com, a sarađuju i sa proizvođačima automobila kao što je Mahindra na integraciji u vozila (npr. test flote električnih rikši i autobusa sa aluminijum-vazduh baterijama za produžen domet) evreporter.com. Napredak Phinergy-ja je ključan jer su među prvima koji su izneli bateriju na bazi aluminijuma iz laboratorije u praktičnu upotrebu na terenu.
• Lyten: Lyten je startup iz Silicijumske doline (sa sedištem u San Hozeu, Kalifornija) koji je nekoliko godina radio u tajnosti razvijajući litijum-sumpornu bateriju unapređenu vlasničkim 3D grafenskim materijalom. Nedavno su se pojavili sa velikim vestima: u oktobru 2024. Lyten je najavio planove za izgradnju prve na svetu gigafabrike litijum-sumpornih baterija u Nevadi, sa investicijom većom od milijardu dolara lyten.coml. Očekuje se da će postrojenje proizvoditi 10 GWh Li-S baterija godišnje do 2027. godine lyten.com. Ovaj hrabar potez ukazuje na poverenje da je njihova tehnologija blizu spremnosti za masovnu proizvodnju. Prva ciljna tržišta Lyten-a nisu putnički električni automobili, već mikromobilnost, aeronautika, dronovi i odbrana u 2024–2025. godini lyten.com – oblasti gde visoka energetska gustina Li-S baterija pruža odlučujuću prednost i gde je nešto kraći životni vek prihvatljiv. Kompanija naglašava laku težinu i odsustvo konfliktnih minerala svojih baterija, a zaista, njihove ćelije koriste anode od litijum metala i katode od sumpor-ugljenik kompozita, izbegavajući nikl, kobalt itd. lyten.com. Generalni direktor Lyten-a, Dan Cook, rekao je „Litijum-sumpor je skok u baterijskoj tehnologiji, pružajući bateriju visoke energetske gustine i male težine, napravljenu od lokalno dostupnih materijala u izobilju” lyten.com. Čak su od 2023. godine u sopstvenoj režiji proizvodili pilot baterijske ćelije kako bi testirali i usavršili proces proizvodnje lyten.com. Ako Lyten-ova gigafabrika uspe, to bi moglo biti prekretnica – prve komercijalne Li-S baterije proizvedene u velikim količinama, potencijalno za upotrebu u električnim avionima nove generacije ili električnim kamionima velikog dometa, gde je svaka funta bitna.
Theion: Theion je startap sa sedištem u Berlinu, Nemačka, koji se fokusira na litijum-sumporne baterije sa posebnom inovacijom – koriste kristalni sumpor i specijalne elektrode kako bi poboljšali stabilnost. U martu 2025. godine, Theion je prikupio 15 miliona evra u rundi finansiranja Serije A kako bi povećao proizvodnju svojih baterijskih ćelija reuters.com. Theion tvrdi da njihove ćelije mogu utrostručiti energetsku gustinu u odnosu na litijum-jonske baterije, dok istovremeno smanjuju troškove na trećinu, kao što je ranije pomenuto reuters.com. Navodno su rešili ključne probleme tako što su unapred proširili katodu da bi se prilagodila ekspanziji sumpora i održali sumpor u kristalnom obliku koji je manje reaktivan sa elektrolitima reuters.com. Generalni direktor Ulrich Ehmes izjavio je da bi njihova tehnologija mogla da se koristi u EV vozilima, “letećim taksijima” ili skladištenju energije, i potencijalno bude u automobilima do kraja 2020-ih reuters.com. Theion-ov pristup je privukao pažnju jer se ne oslanja na egzotične materijale – ističu da njihove baterije “manje dišu” i ne korodiraju kao ranije Li-S baterije. Sredstva će im pomoći da razviju veće pouch ćelije i pređu sa prototipova u obliku novčića reuters.com. Nemačko interesovanje za sumporne baterije takođe se poklapa sa evropskim naporima da razvije domaće, održive baterijske tehnologije.
• Argonne National Laboratory & U.S. DOE: U javnoistraživačkoj sferi, Argonne (zajedno sa drugim laboratorijama američkog Ministarstva energetike kao što su Oak Ridge i Pacific Northwest) aktivno istražuje sumporne baterije. Već smo pomenuli Argonne-ovo dostignuće u dizajnu međuslojeva za Li-S ćelije anl.gov. Takođe istražuju čvrstostanje sumporne baterije u partnerstvu sa NASA-om za avijaciju. Kancelarija za tehnologije vozila DOE finansirala je više projekata na temu Li-S, Mg-S, pa čak i Li-Air i Al-Air, prepoznajući strateški značaj hemija sledeće generacije. Nacionalne laboratorije često sarađuju sa univerzitetima (npr. Argonne je radio sa timom koji uključuje Univerzitet Ilinois na međuslojevima sumpora) i dele nalaze na kojima startapi mogu da grade. Na primer, mnogo saznanja o ponašanju polisulfida i naprednoj karakterizaciji (korišćenjem alata kao što je Argonne’s Advanced Photon Source za X-ray analizu baterija anl.gov) potiče iz ovih laboratorija.
• Ostali značajni: Univerziteti poput Monash University (Australija) dospeli su u vesti 2020. godine sa Li-S baterijom koja je navodno mogla da napaja pametni telefon pet dana i pokazala odličnu stabilnost zahvaljujući novom vezivu i dizajnu elektrode advancedsciencenews.com. Monash je od tada radio i na brzo-punećim Li-S baterijama, sa ciljem upotrebe u električnoj avijaciji monash.edu. U Velikoj Britaniji, sada ugašena Oxis Energy bila je pionir u Li-S tehnologiji; pre zatvaranja 2021. godine, Oxis je razvio Li-S ćelije blizu 400 Wh/kg i sarađivao sa proizvođačima aviona. Njihova intelektualna svojina je prešla u ruke drugih subjekata, što verovatno utiče na nove projekte. Kineska akademska zajednica i industrija su izuzetno aktivne – institucije poput Kineske akademije nauka, Tehnološkog univerziteta u Wuhanu (koji je koautor Sadoway-evog Al-S rada news.mit.edu), i kompanije poput CATL istražuju hemiju sumpora i aluminijuma, iako se detalji ponekad drže u tajnosti. Čak je i Tesla Battery Day 2020. nagovestio interesovanje za sumpor (Elon Musk je u šali pomenuo da Tesla istražuje “litijum i sumpor” bez dodatnih objašnjenja, verovatno za dugoročne projekte). Na kraju, NASA i Boeing razmatraju Li-S za avione: NASA-in SABERS projekat ima višeslojnu sumpornu bateriju koja je dostigla 500 Wh/kg, što bi moglo omogućiti električne avione ili napredne dronove businessaviation.aero.

Jasno je da globalni ekosistem inovatora pokreće aluminijumske i sumporne baterije napred – od malih startapa do uglednih nacionalnih laboratorija. Sledećih nekoliko godina (2025–2030) verovatno će doneti plodove ovih napora u vidu stvarnih proizvoda i pilot implementacija.

Proboji i najnovije inovacije (2024–2025)

Period od 2024. do 2025. godine bio je posebno uzbudljiv za razvoj aluminijumskih i sumpornih baterija, sa nekoliko značajnih proboja:

• Jan 2024 – Aluminijum-sumpor na 85 °C (Nature Communications): Istraživači su demonstrirali novu aluminijum–sumpor bateriju koja radi na 85 °C sa kvaternim elektrolitom na bazi rastopljene soli, objavljeno u Nature Communications nature.com. Ova baterija je pokazala sposobnost brzog punjenja i iznenađujuću dugovečnost: zadržala je 85,4% svog kapaciteta nakon 1.400 ciklusa pri brzini punjenja od 1C nature.com. Važno je napomenuti da je 85 °C veliko poboljšanje u odnosu na ranije baterije sa rastopljenom soli koje su zahtevale 110–180 °C nature.com. Tim je to postigao formulisanjem posebne mešavine soli (alkalni hloraluminati) sa niskom tačkom topljenja, što je takođe omogućilo brzo kretanje aluminijum-jona nature.com. Takođe su koristili katodu od azotom dopiranog poroznog ugljenika koja je pomogla da reakcije sumpora teku brzo nature.com. Ovaj rezultat je značajan jer ukazuje na praktične, niskobudžetne baterije za mrežu koje bi mogle raditi uz jednostavno grejanje (čak i samo toplom vodom kao izvorom toplote, kako autori napominju nature.com) i omogućiti brzo punjenje bez degradacije. Ovo je korak ka tome da MIT Al-S koncept baterije postane pristupačniji i mobilniji.
• Okt 2024 – Lyten najavljuje Li-S gigafabriku: Lytenova najava gigafabrike za litijum-sumporne baterije u Nevadi bila je glavna vest u industriji krajem 2024. godine lyten.com. Planirano je da to bude prva gigafabrika na svetu posvećena Li-S ćelijama, sa ciljem proizvodnje od 10 GWh/godišnje do 2027. godine lyten.com. Još upečatljivije je što je Lyten naveo da njihove Li-S baterije već ulaze na odabrana tržišta u 2024. i 2025. – konkretno, imaju kupce u mikromobilnosti (e-bicikli, skuteri), vazduhoplovstvu (možda sateliti ili dronovi na velikim visinama), dronovima i odbrambenim aplikacijama koji koriste njihove baterije lyten.com. Ovo sugeriše da je Lyten prešao sa laboratorijskih prototipova na pilot proizvodnju i stvarnu upotrebu na terenu u tim nišama. Odluka da se izgradi velika fabrika ukazuje na poverenje u skaliranje tehnologije i materijalizaciju potražnje za njom. To je takođe veliki signal za industriju baterija i investitore da je litijum-sumpor blizu spremnosti za širu upotrebu. Možda ćemo uskoro videti proizvode sa oznakom “Li-S baterija unutra”, barem u vrhunskim ili specijalizovanim aplikacijama, kao rezultat ovoga.
• Mart 2025 – Theion prikuplja sredstva, tvrdi 3× veću energiju: U martu 2025. godine, Reuters je izvestio da je Theion prikupio 15 miliona evra kako bi povećao proizvodnju svoje sumporne baterije, koja „skladišti više energije, ali košta mnogo manje od konvencionalnih litijum-jonskih baterija.” reuters.com Theion je javno otkrio deo svoje tehničke strategije, navodeći da njihove ćelije imaju tri puta veću gustinu energije od litijum-jonskih, uz trećinu cene i trećinu CO₂ emisija, kao što je ranije pomenuto reuters.com. Oni su odgovorili na glavne izazove navodeći da izbegavaju brzu koroziju korišćenjem kristalnog sumpora i rešavaju ekspanziju tako što unapred proširuju strukturu katode reuters.com. Sredstva će im pomoći da pređu sa „coin” ćelija na veće „pouch” ćelije (pogodne za električna vozila ili avione) reuters.com. Ovaj razvoj podseća da ne samo jedan, već nekoliko startapa (Lyten, Theion, drugi) postižu prekretnice i privlače investicije, čime se povećavaju šanse da će bar jedan uspeti komercijalno. Ovo pomalo podseća na rane dane litijum-jonskih baterija, kada su se više kompanija i zemalja takmičile – sada imamo američke i evropske aktere koji istovremeno razvijaju sumporne baterije.
• 2023 – 2024 – Rešavanje slagalice životnog ciklusa sumpora: Tokom 2023. i u 2024. godini, više istraživačkih grupa objavilo je napredak u produžavanju životnog ciklusa baterija na bazi sumpora. Jedan od najvažnijih rezultata bila je studija koju je predvodio Argonne (objavljena u avgustu 2022. u časopisu Nature Communications) koja je pokazala da redoks-aktivni međusloj može dramatično poboljšati stabilnost Li-S baterija anl.gov. Početkom 2023. godine, izvestili su da ovaj pristup daje ćelije koje održavaju visok kapacitet tokom stotina ciklusa anl.gov, čime se Li-S baterije približavaju upotrebljivosti za svakodnevnu upotrebu. Sredinom 2024. godine, drugi tim je izvestio o preklopivoj, fleksibilnoj Li-S bateriji koja koristi specijalnu katodu od gvožđe-sulfida i može da izdrži čak i sečenje bez otkaza acs.org – novo rešenje za nosivu ili fleksibilnu elektroniku zasnovanu na Li-S tehnologiji. Ove postepene inovacije su važne: one rešavaju konkretne probleme (kao što su upravljanje polisulfidima, mehanički naponi itd.) jedan po jedan. Svako poboljšanje približava Li-S ćelije ispunjavanju strogih zahteva komercijalne elektronike i vozila.
• 2024 – Nagli rast istraživanja aluminijumskih baterija: Na strani aluminijuma, kraj 2024. doneo je takođe zanimljiva istraživanja. Naučnici su istraživali nove katodne materijale za aluminijum-jonske baterije, kao što je kobalt-sulfid, kako bi postigli veći kapacitet i bolje razumevanje mehanizama skladištenja naelektrisanja nature.com. Postoji sve veći broj radova o “multivalentnim” baterijama (uključujući Al, Mg, Zn) koje često dele izazove i proboje – na primer, poboljšani elektroliti koji pomažu jednom sistemu ponekad mogu biti primenjeni i na drugi advanced.onlinelibrary.wiley.com. Takođe, vidimo da zemlje poput Indije ulažu u tehnologiju aluminijumskih baterija, ne samo preko Phinergy-jevih aluminijum-vazduh baterija, već i kroz akademska istraživanja sa ciljem stvaranja punjive aluminijumske baterije prilagođene indijskim uslovima (uz vladino finansiranje projekata u okviru nacionalne misije za skladištenje energije). Iako ovo još nije dospelo na naslovne strane širom sveta, doprinosi zamahu koji se stvara oko aluminijumskih baterija globalno.
• Signali politike i tržišta: Priče o proboju nisu samo tehničke. U 2024–2025. godini vidimo snažne tržišne signale koji podržavaju ove nove baterije. Američki Zakon o smanjenju inflacije (IRA) i druge politike podstiču domaće lance snabdevanja baterijama – što pogoduje hemijama koje se mogu proizvoditi od lokalno nabavljenih materijala kao što su sumpor (SAD proizvodi mnogo sumpora iz rafinisanja nafte) i aluminijum. Lyten-ova gigafabrika u Nevadi i interesovanje američkog Ministarstva odbrane za lake Li-S baterije za vojnike ili satelite su rezultati ovih podsticaja lyten.com. U Evropi, težnja ka održivosti čini baterije bez kobalta i nikla veoma privlačnim, pa EU finansira projekte kao što su Theion i drugi. Čak i u Kini, gde dominira proizvodnja litijum-jonskih baterija, postoje državni programi za „baterije sledeće generacije“ (na primer, CATL navodno radi na natrijum-jonskoj + hibridnoj sumpornoj bateriji za lansiranje oko 2023/24. godine u stacionarnom skladištenju). Svi ovi trendovi ukazuju na to da je vreme zrelo za aluminijumske i sumporne baterije – svet traži rešenja, a tehnologija sustiže te potrebe.

U suštini, poslednje dve godine su transformisale aluminijumske i sumporne baterije iz laboratorijske radoznalosti u ozbiljne kandidate za budućnost skladištenja energije. Kako je jedan naučnik prikladno rekao, „Jedan smo korak bliže da ovu tehnologiju vidimo u svakodnevnom životu.“ anl.gov Taj napredak korak po korak upravo se sada dešava, a sledeći korak biće šira komercijalizacija i skaliranje ovih inovacija.

Potencijalne primene i uticaj na čistu energiju i električna vozila

Uspon aluminijumskih i sumpornih baterija mogao bi uticati na širok spektar sektora. Evo nekih od najperspektivnijih primena i njihovih implikacija:

• 🏠 Skladištenje obnovljive energije (mreža i domaćinstva): Možda će najveći uticaj u bliskoj budućnosti biti u stacionarnom skladištenju energije za čistu energiju. Jedan od glavnih izazova obnovljive energije (solarna, vetar) je nepostojanost – sunce i vetar nisu dostupni 24/7, pa su nam potrebne masivne, ekonomične baterije za skladištenje energije kada ne proizvode. Litijum-jonske baterije su počele da se koriste za skladištenje na mreži, ali su i dalje relativno skupe i zavise od uvoznih materijala. Aluminijum-sumporne i natrijum-sumporne baterije, sa svojim izuzetno jeftinim komponentama, mogle bi drastično smanjiti cenu skladištenja kilovat-sata. Sadoway sa MIT-a je posebno ciljao na domaći i komšijski nivo sa svojom Al-S baterijom – „veličina potrebna za napajanje jedne kuće ili malog do srednjeg preduzeća” (reda veličine desetina kWh) news.mit.edu. Takve baterije bi omogućile vlasnicima kuća sa solarnim panelima na krovu da jeftino skladište energiju tokom dana za noćnu upotrebu, ili malim preduzećima da imaju rezervno napajanje bez dizel generatora. Na većim nivoima, komunalna preduzeća bi mogla postaviti ogromne banke aluminijumskih ili natrijum-sumpornih baterija kako bi izravnala proizvodnju iz obnovljivih izvora. Tim sa Univerziteta u Sidneju je naveo da bi njihova jeftina Na-S baterija mogla „značajno smanjiti troškove prelaska na dekarbonizovanu ekonomiju” obezbeđujući pristupačno skladištenje sydney.edu.au. Na mestima gde nema geografskih uslova za skladištenje pomoću pumpnih hidroelektrana, ova elektrokemijska rešenja su ključna. Dodatno, pošto su ove nove baterije nezapaljive (važno za bezbednost zajednice) i koriste obilne materijale, mogu se proizvoditi i instalirati lokalno u mnogim regionima – čime se povećava energetska sigurnost. Sve u svemu, široka upotreba aluminijum/sumpor stacionarnih baterija omogućila bi veće učešće obnovljive energije, smanjila gubitke (neiskorišćena solarna/vetrogenerisana energija zbog nedostatka skladišta) i pomogla stabilizaciji mreže čistom, raspoloživom energijom.
• 🚗 Električna vozila (EV): Lakše i baterije sa većom energetskom gustinom su sveti gral za EV, pa čak i za električnu avijaciju. Litijum-sumporne baterije su ovde posebno privlačne. Li-S paket bi mogao dramatično produžiti domet vožnje EV-a bez dodavanja težine – ili, obrnuto, omogućiti isti domet sa mnogo lakšom baterijom, poboljšavajući efikasnost. Na primer, ako je danas EV-u potrebna Li-jonska baterija od 600 kg za domet od 300 milja, Li-S baterija sa 2× većom energetskom gustinom mogla bi to postići sa ~300 kg, značajno smanjujući težinu vozila. Ovo poboljšava ubrzanje, upravljivost i smanjuje potrošnju energije po pređenoj milji. Takođe bi moglo učiniti električne kamione i autobuse održivijim oslobađanjem težine za teret. Kompanije poput Oxis Energy (pre nego što je zatvorena) i Sion Power su sarađivale sa partnerima iz avio i auto industrije na Li-S prototip paketima za avione dugog dometa i EV vozila. Zapravo, ranije Li-S ćelije kompanije Sion Power napajale su High Altitude Pseudo-Satellite (bespilotni solarni avion) koji je oborio rekorde u trajanju leta tokom 2010-ih. U poslednje vreme, NASA i Airbus su razmatrali Li-S kao jedan od retkih načina da se postigne potrebnih 500 Wh/kg za praktične električne putničke avione businessaviation.aero – uspeh njihovog SABERS projekta nagoveštava regionalne električne avione na horizontu koji koriste sumporne baterije. Električni leteći taksiji i dronovi bi takođe imali koristi; Theion je eksplicitno naveo leteća vozila kao cilj reuters.com. Pored Li-S, čak i aluminijum-vazduh baterije imaju ulogu u EV: mogle bi služiti kao modul za produženje dometa koji aktivirate za duga putovanja. Zamislite EV sa malom Li-jonskom baterijom za svakodnevnu vožnju i aluminijum-vazduh „pomoćnom baterijom“ koju dopunjavate (menjate aluminijum) samo kada idete na put od 1.000 km. Takve hibridne baterijske arhitekture razmatraju se u projektima Indian Oil/Phinergy i drugih. Treba napomenuti da glavni EV modeli neće preći na potpuno novu hemiju preko noći – bezbednost, dugovečnost i brzo punjenje moraju biti dokazani – ali krajem 2020-ih je moguće da će vrhunski modeli ili specijalizovana vozila dolaziti sa baterijama nove generacije. Ako se to dogodi, to bi moglo podići performanse EV na novi nivo (dometi preko 500 milja, veoma brzo punjenje, lakši automobili) i smanjiti zavisnost od kritičnih minerala, čime bi se omogućila šira primena EV bez uskih grla u resursima.
• 📱 Prenosiva elektronika i nosivi uređaji: Vaš budući pametni telefon ili laptop takođe bi mogli imati koristi od baterija na bazi sumpora ili aluminijuma, iako ove primene zahtevaju dug vek trajanja i nisko samopražnjenje (u čemu su Li-jonske baterije trenutno izuzetne). Litijum-sumporna baterija bi mogla omogućiti vašem telefonu da radi danima između punjenja – setite se koncepta Monash univerziteta o telefonu koji traje 5 dana na Li-S bateriji advancedsciencenews.com. Ušteda na težini je manje bitna za telefon, ali je energetska gustina veoma važna. Jedan od izazova je što potrošački uređaji očekuju stotine ciklusa i godine kalendarskog veka; Li-S tehnologija će zahtevati dodatno usavršavanje da bi to postigla. Ipak, mogli bismo videti nišne uređaje ili nosive uređaje koji ih usvajaju ako ponude prednosti u obliku. Aluminijumske baterije, posebno fleksibilni dizajni poput onih sa Stanforda, mogle bi omogućiti savitljive ili uvijajuće uređaje. Na primer, aluminijum-jonska baterija koja je fleksibilna mogla bi biti integrisana u kaiš pametnog sata ili u pametnu odeću. Takođe, pošto Al-jonske baterije mogu biti veoma bezbedne (bez rizika od požara), mogle bi biti ugrađene u uređaje bez glomaznih zaštitnih kućišta, možda čak omogućavajući kreativniji industrijski dizajn. Ovo su spekulacije, ali kako se proizvodnja poboljšava, potrošačka elektronika bi mogla postati važno tržište (ipak su i Li-jonske baterije svoj početni rast doživele upravo u toj oblasti 1990-ih).
• ⚡ Infrastruktura za brzo punjenje: Jedna manje očigledna, ali važna primena je korišćenje ovih novih baterija za omogućavanje brzog punjenja električnih vozila i stabilizaciju mreže. Kao što je profesor Sadoway istakao, ako mnogo električnih vozila pokuša da se puni istovremeno (na primer, više automobila na odmorištu pored autoputa), potražnja za energijom naglo raste iznad onoga što električna mreža može lako da isporuči news.mit.edu. Umesto nadogradnje dalekovoda, pametnije je instalirati baterijski bafer na stanicama za punjenje – baterija se polako puni iz mreže, a zatim brzo isporučuje energiju automobilima kada je potrebno. Za ovakve bafer baterije, cena i bezbednost su najvažniji, dok je težina manje bitna. To aluminijum-sumporne ili natrijum-sumporne baterije čini idealnim kandidatima. One stoje na licu mesta, skladište energiju jeftino, ne mogu da se zapale i mogu brzo da ispuste energiju. Sadoway je posebno naveo da Al-S sistemi mogu „eliminisati potrebu za instaliranjem skupih novih dalekovoda“ za grupe brzih punjača news.mit.edu. Suštinski, ove baterije mogu delovati kao amortizeri za električnu mrežu, upijajući višak energije i oslobađajući je po potrebi, bilo za nagle potrebe punjenja električnih vozila ili za balansiranje fluktuacija u proizvodnji iz obnovljivih izvora.
• 🏭 Industrijska i komercijalna rezervna energija: Kao što telekomunikacioni tornjevi koriste aluminijum-vazduh za rezervno napajanje, druge industrije i komercijalni objekti mogli bi koristiti aluminijumske ili sumporne baterije kako bi obezbedili pouzdanost i smanjili oslanjanje na dizel agregate. Na primer, data centri zahtevaju baterije koje su bezbedne, imaju dug vek trajanja u stanju pripravnosti i isplative su u velikim razmerama – može se zamisliti prostorije sa natrijum-sumpornim baterijama koje zamenjuju banke litijum-jonskih ili olovno-kiselinskih baterija koje se trenutno koriste za UPS (neprekidno napajanje). Na udaljenim ili vanmrežnim lokacijama, jeftine baterije koje ne zahtevaju čestu zamenu su izuzetno vredne (manje servisnih odlazaka). Aluminijum-sumporne baterije, koje se projektuju kao veoma niske cene po kWh, mogle bi omogućiti mikromreže u ruralnim ili ostrvskim zajednicama, u kombinaciji sa solarnom/energijom vetra, za obezbeđivanje struje 24/7 bez velikih troškova.
• 🚀 Vazduhoplovstvo i odbrana: Visoke performanse ovih baterija prirodno su privlačne za primenu u vazduhoplovstvu i odbrani. Kao što je pomenuto, sateliti i dronovi na velikim visinama (pseudo-sateliti) uspešno koriste Li-S zbog male težine i dobrih performansi na niskim temperaturama (baterije u svemiru često rade na hladnoći). Američka vojska je zainteresovana za lakše baterije za vojnike (da bi se smanjilo opterećenje nošenja više kilograma Li-ion paketa) – baterija na bazi sumpora bi mogla značajno olakšati taj teret. Dodatno, pošto sumporne baterije nemaju jedinjenja koja oslobađaju kiseonik (za razliku od Li-ion koje mogu osloboditi O₂ u slučaju termalnog bekstva), mogle bi biti bezbednije u zatvorenim prostorima kao što su podmornice ili svemirske letelice. Aluminijum-vazduh bi mogao služiti kao izvor energije pod vodom za bespilotne podmornice sa dugim trajanjem, gde je dopuna aluminijumom izvodljiva. Sektor odbrane često deluje kao rani usvajač najnovijih tehnologija koje kasnije postaju široko dostupne, pa njihova ulaganja u tehnologiju aluminijumskih i sumpornih baterija mogu ubrzati razvoj. Zapravo, Lyten-ovi prvi angažmani u 2024–25. sa svemirskim, dron i odbrambenim tržištima nagoveštavaju da odbrambeni ugovori pomažu u dokazivanju tehnologije lyten.com pre šire upotrebe kod potrošača.

U svim ovim primenama, glavni uticaj je omogućavanje da tranzicija ka čistoj energiji ide brže i dalje. Smanjenjem troškova baterija i oslobađanjem od ograničenja lanca snabdevanja litijum-jonskih baterija, aluminijumske i sumporne baterije mogle bi učiniti električna vozila pristupačnijim za više ljudi (što je ključno za dekarbonizaciju transporta), učiniti obnovljive izvore energije pouzdanijim i rasprostranjenijim (što je ključno za dekarbonizaciju električne energije), pa čak i stvoriti nove mogućnosti kao što je električni let. Takođe donose ekološke koristi u upotrebi: npr. zamena dizel agregata za rezervno napajanje aluminijum-vazduh ili natrijum-sumpornim baterijama smanjuje lokalno zagađenje vazduha i emisiju CO₂. Ako tehnologija ispuni svoja obećanja, svet bi mogao videti jeftinije električne automobile, otpornije čiste mreže i smanjenje eksploatacije retkih metala – pozitivan povratni efekat i za ekonomiju i za životnu sredinu.

Ekonomske i ekološke implikacije

Sa ekonomske tačke gledišta, aluminijumske i sumporne baterije mogle bi biti disruptivne na najbolji mogući način: snižavanjem troškova skladištenja energije i diverzifikacijom lanca snabdevanja. Baterija čini značajan deo cene električnog vozila ili sistema obnovljive energije, tako da jeftinije baterije znače jeftinije proizvode i brže usvajanje. Analitičari su primetili da materijali poput aluminijuma i sumpora koštaju samo mali deo u odnosu na litijum, nikl ili kobalt. Na primer, jedna procena je navela da trošak materijala za aluminijum-sumpor ćelije iznosi samo oko 15% u odnosu na ekvivalentnu litijum-jonsku ćeliju news.mit.edu. Ako se te uštede prenesu na proizvodnju, mogli bismo videti da cene baterija (po kWh) padaju znatno ispod trenutne litijum-jonske krive učenja. Jeftino skladištenje bi tada moglo pokrenuti ekonomski rast omogućavanjem novih poslovnih modela (poput više solarnih farmi, projekata zajedničkog skladištenja itd.) i smanjenjem troškova energije za potrošače (zamislite da svakog popodneva punite kućnu bateriju solarnom energijom i nikada ne plaćate najvišu tarifu na mreži).

Postoji i geopolitički aspekt: Proizvodnja litijum-jonskih baterija danas je veoma koncentrisana (Kina dominira proizvodnjom ćelija, a zemlje poput DRC obezbeđuju ključne minerale). Aluminijum se, međutim, topi širom sveta (a reciklaža takođe obezbeđuje lokalni izvor), a sumpora ima svuda. Mnoge zemlje koje nemaju resurse litijuma imaju razvijenu industriju aluminijuma (npr. Indija, kao što smo videli sa IOC Phinergy). Dakle, baterije na bazi aluminijuma mogle bi omogućiti više država da izgrade domaću industriju baterija bez oslanjanja na uvozni litijum ili kobalt. Ova diverzifikacija bi mogla smanjiti globalne rizike u lancu snabdevanja i učiniti tranziciju ka električnoj mobilnosti i obnovljivoj energiji otpornijom na nestašice ili političku nestabilnost. U Nevadi, planirana Lyten fabrika je primer – korišćenje sumpora iz SAD i sklapanje baterija u zemlji lyten.com usklađuje se sa politikama vraćanja proizvodnje baterija i otvaranja lokalnih radnih mesta (predviđaju 1.000 radnih mesta kada fabrika dostigne puni kapacitet lyten.com).

Sa ekološke strane, ove baterije nude više prednosti:

• Niži karbonski otisak: Proizvodnja baterija je energetski intenzivna, ali baterije od sumpora i aluminijuma mogu se praviti sa manje egzotične obrade. Rafinisanje kobalta i nikla posebno ima visok karbonski otisak. Izbacivanjem tih materijala, proizvođači mogu smanjiti emisiju CO₂ po kWh baterije. Theion je tvrdio da su njihove sumporne baterije imale 2/3 manji karbonski otisak u poređenju sa litijum-jonskim reuters.com. Takođe, sumpor se može dobiti kao otpadni proizvod (praktično bez dodatnog karbonskog troška za njegovo dobijanje), a reciklaža aluminijuma koristi samo oko 5% energije potrebne za primarnu proizvodnju aluminijuma – tako da bi korišćenje recikliranog aluminijuma u baterijama značajno smanjilo njihovu ugrađenu energiju.
• Reciklaža i kraj životnog veka: Aluminijum je već jedan od najviše recikliranih materijala (setite se limenki od aluminijuma). Postoji infrastruktura za topljenje otpadnog aluminijuma i njegovu ponovnu upotrebu. Ako aluminijum-metal baterije postanu uobičajene, može se zamisliti da se istrošene aluminijumske anode rutinski prikupljaju i recikliraju sa visokom efikasnošću – kružna ekonomija za metal baterije. Reciklaža sumpora iz baterija može biti složenija (posebno ako je vezan u jedinjenja), ali pošto je jeftin i netoksičan, čak i ako završi na deponiji, nije tako velika ekološka opasnost kao, na primer, olovo ili kadmijum u starijim baterijama. Istraživači bi mogli pronaći načine da povrate sumpor ili pretvore otpadni sumpor iz baterija u korisne hemikalije (sumpor se, na primer, koristi i u đubrivima). Nedostatak teških metala u ovim baterijama znači manje toksičnog elektronskog otpada ako se nepropisno odlože, i idealno lakše rukovanje u reciklažnim postrojenjima.
• Smanjen uticaj rudarstva: Eksploatacija litijuma, kobalta i nikla ima značajne ekološke i društvene posledice – od upotrebe vode pri ekstrakciji litijuma iz slanih jezera, preko uništavanja staništa i zagađenja oko rudnika nikla, do problema dečijeg rada u nekim rudnicima kobalta. Smanjenjem ili eliminisanjem potrebe za ovim materijalima, aluminijumske i sumporne baterije mogu ublažiti ove pritiske. Aluminijum nije bez uticaja (rudarstvo boksita i topljenje aluminijuma imaju svoje probleme kao što su otpadni crveni mulj i velika potrošnja električne energije), ali su ti procesi dobro regulisani u mnogim zemljama i tehnologija napreduje (npr. inertne anode za topljenje aluminijuma radi smanjenja emisija). Takođe, reciklaža aluminijuma značajno smanjuje potrebu za novim rudarstvom. Upotreba sumpora se uglavnom svodi na preradu postojećeg nusproizvoda – to zapravo može rešiti problem (ogromne zalihe sumpora) umesto da ga stvori.
• Bezbednost i zdravlje: Požari baterija su bili problem kod litijum-jonskih baterija, jer sagorevanje Li-ion baterija oslobađa toksične pare i može izazvati požare koje je teško ugasiti (kao što su pokazali neki incidenti sa električnim vozilima). Nezapaljive baterije znače manje požara, što je dobitak za bezbednost društva. Takođe znači i bezbednije rukovanje baterijama tokom transporta i u otpadnim dvorištima. Na primer, rashodovana električna vozila sa Li-ion baterijama predstavljaju rizik od požara ako su oštećena; električno vozilo sa aluminijum-sumpor baterijom može biti mnogo bezbednije za rastavljanje. Isto važi i za potrošačke uređaje – manje eksplozija ili požara uređaja (setimo se čuvenih požara baterija u telefonima) je korisno za javno zdravlje i poverenje u baterijsku tehnologiju.
• Čista rezervna energija: Na mestima koja se trenutno oslanjaju na dizel generatore za rezervno ili udaljeno napajanje (ostrva, skloništa za vanredne situacije, telekomunikacioni tornjevi), zamena tih generatora aluminijum-vazduh ili natrijum-sumpor baterijama eliminiše sagorevanje dizel goriva, što znači bez emisije gasova staklene bašte, bez zagađenja česticama i bez buke. Ovo je direktno poboljšanje za životnu sredinu i kvalitet života. Na primer, telekom tornjevi koji rade na aluminijum-vazduh baterije u Indiji neće proizvoditi lokalne emisije, dok dizel generatori doprinose zagađenju vazduha i emisiji ugljenika.

Sve u svemu, aluminijumske i sumporne baterije imaju potencijal da demokratizuju skladištenje energije – čineći ga pristupačnim i ekološki prihvatljivim do te mere da možemo postaviti baterije svuda gde su nam potrebne za čistu energetsku budućnost. One neće biti univerzalno rešenje (verovatno ćemo koristiti mešavinu baterijskih tehnologija), ali njihov ulazak na tržište može sniziti troškove i naterati sve proizvođače baterija da poboljšaju održivost.

Naravno, ekonomski uspeh ovih baterija nije zagarantovan; moraju dokazati da se mogu proizvoditi jeftino i pouzdano raditi u velikim razmerama. Ali nedavne investicije i uspešni prototipi su veoma ohrabrujući. Ako uspeju, dobitak neće biti samo jeftiniji električni automobili ili bolji gedžeti – već i značajno smanjenje ekološkog uticaja naše upotrebe baterija i podsticaj globalnim naporima za dekarbonizaciju.

Zaključak: Svetla budućnost napajana običnim elementima

Baterije na bazi aluminijuma i sumpora, nekada smatrane autsajderima među tehnologijama, brzo se približavaju komercijalnoj realnosti. Ove baterije predstavljaju privlačnu ideju: koristiti jednostavne, obilne sastojke za rešavanje složenih energetskih problema. U poslednjih nekoliko godina, napredak u hemiji i nauci o materijalima doveo je tu ideju mnogo bliže ostvarenju. Sada imamo prototipove aluminijum-sumpor ćelija koje se mogu brzo puniti za nekoliko minuta i raditi hiljadama ciklusa nature.com, litijum-sumpor baterije koje dostižu gustine energije o kojima se pre deset godina samo sanjalo reuters.com, pa čak i aluminijum-vazduh sisteme koji započinju stvarnu upotrebu isporučujući čistu energiju evreporter.com.

Prelazak sa oslanjanja na retke metale i skupe uvoze na baterije napravljene od „jeftinih“ elemenata kao što su Al i S, mogao bi preoblikovati industriju baterija kao što je silicijum preoblikovao industriju elektronike – omogućavajući masovnu proizvodnju i smanjenje troškova. Kako je Sadoway našalio, ove nove baterije imaju „sve što biste poželeli da baterija ima: jeftine elektrode, dobru bezbednost, brzo punjenje, fleksibilnost i dug vek trajanja“ news.stanford.edu. Još uvek ima problema koje treba rešiti, ali pravac je jasan.

U narednim godinama možemo očekivati vesti o pilot projektima (možda solarna farma u Kaliforniji koja koristi MIT-ove aluminijum-sumpor ćelije, ili dron na Lyten Li-S bateriji koji obara rekorde izdržljivosti). Kako proizvodnja bude rasla, troškovi će dodatno padati, a preostali tehnički izazovi – bilo da je u pitanju vek trajanja ili radna temperatura – verovatno će biti rešeni intenzivnim istraživanjima koja se trenutno sprovode širom sveta.

Za širu javnost, uticaj će se možda osetiti na suptilne, ali važne načine: električni automobil koji je jeftiniji i prelazi veću udaljenost, pametni telefon koji ostaje napunjen tokom celog vikenda, komšiluk koji ima svetlo zahvaljujući bateriji kada oluja isključi mrežu, uz saznanje da je sve to omogućeno materijalima običnim kao aluminijumska folija i đubrivo za baštu (sumpor). Svetu je sve veća potreba za baterijama, a tehnologije na bazi aluminijuma i sumpora obezbeđuju da tu potrebu možemo zadovoljiti na održiv način.

Kao što je jedan naučnik uključen u razvoj ovih baterija optimistično izjavio, „Ovi rezultati pokazuju … ogroman uticaj na razvoj [baterija]. Mi smo korak bliže tome da ovu tehnologiju vidimo u svakodnevnom životu.” anl.gov Zaista, budućnost u kojoj su naši životi pokretani aluminijumom i sumporom – dva od najneupadljivijih elemenata na Zemlji – sada je jasno na vidiku. Revolucija u skladištenju energije je u toku, a gradi se na temeljima obične hemije, inovativnog inženjeringa i hitne potrebe za čistijom, jeftinijom energetskom budućnošću.

Izvori: Informacije i citati u ovom izveštaju preuzeti su iz nedavnih pouzdanih izvora, uključujući recenzirane studije, saopštenja univerziteta, industrijske vesti i izveštaje Reuters-a. Ključne reference uključuju MIT News o aluminijum-sumpor bateriji news.mit.edu, proboje Argonne National Lab-a u litijum-sumpor tehnologiji anl.gov, Reuters izveštavanje o razvoju kompanija Theion i Lyten reuters.com, lyten.com, i intervjue sa liderima iz industrije (npr. direktor kompanije Phinergy o prednostima aluminijum-vazduh baterija evreporter.com). Ove i druge reference kroz tekst pružaju detaljne dokaze koji podržavaju iznete tvrdnje.