Pomaknite se, litij: Baterije od aluminija i sumpora pokreću energetsku revoluciju

• U siječnju 2024. studija u časopisu Nature Communications izvijestila je o aluminij-sumpor bateriji koja radi na 85 °C s rastaljenim kloroaluminatnim elektrolitom, zadržavajući 85,4% svog kapaciteta nakon 1.400 ciklusa pri 1C.
• Stanfordov prototip aluminij-ionske baterije iz 2015. koristio je aluminijsku anodu i grafitnu katodu, omogućujući ultra-brzo punjenje (oko jedne minute) i više od 7.500 ciklusa pri otprilike 2 V.
• Godine 2014. Phinergy je demonstrirao automobil koji je mogao prijeći oko 1.100 milja koristeći aluminij-zrak baterije.
• Aluminij-zrak baterije nude otprilike tri puta veću energetsku gustoću po težini od litij-ionskih baterija.
• U siječnju 2023. Argonne National Laboratory demonstrirao je Li–S ćelije s redoks-aktivnim međuslojem koji je gotovo eliminirao shuttle efekt i omogućio više od 700 ciklusa.
• Litij-sumporne ćelije pokazale su energetsku gustoću oko 400–500 Wh/kg u laboratorijima, a NASA-in SABERS projekt cilja oko 500 Wh/kg za električnu avijaciju.
• U kolovozu 2022. Donald Sadoway s MIT-a predstavio je aluminij-sumpor bateriju s aluminijskom anodom i sumpornom katodom, koristeći elektrolite na bazi rastaljenih soli za omogućavanje jeftinog i sigurnog rada.
• U listopadu 2024. Lyten je najavio planove za izgradnju prve svjetske gigatvornice Li–S baterija u Nevadi, s ciljem od 10 GWh/godišnje do 2027.
• U ožujku 2025. Theion je prikupio 15 milijuna eura za povećanje proizvodnje kristalno-sumpornih Li–S ćelija, tvrdeći trostruku energetsku gustoću u odnosu na Li-ion, trećinu cijene i trećinu CO₂ emisija, s planovima prelaska s kovanih ćelija na veće pouch ćelije.
• Godine 2023. Phinergy i Indian Oil Corporation predstavili su prvo indijsko vozilo na aluminij-zrak pogon, signalizirajući potencijalnu primjenu na tržištu.

Zamislite baterije izrađene od obične aluminijske folije i sumpornog praha, koje napajaju sve – od kuća do električnih automobila – po djeliću današnjih troškova. Baterije na bazi aluminija i sumpora pojavljuju se kao obećavajuće alternative tradicionalnim litij-ionskim ćelijama, nudeći primamljiv potencijal jeftinijeg, sigurnijeg i održivijeg skladištenja energije. U ovom izvještaju istražujemo što su te aluminijske i sumporne baterije, kako rade, različite vrste u razvoju (uključujući uzbudljivu kombinaciju aluminija i sumpora), njihove prednosti i izazove, ključne aktere koji pokreću proboje te kako bi nedavne inovacije u 2024.–2025. mogle transformirati čistu energiju i električna vozila. (Svi izvori su navedeni radi vjerodostojnosti.)

Što su aluminijske i sumporne baterije?

Aluminijske baterije i sumporne baterije predstavljaju dvije široke skupine baterijskih tehnologija nove generacije koje nastoje riješiti ograničenja današnjih litij-ionskih baterija. Jednostavno rečeno, koriste aluminij ili sumpor (ili oboje) u svojim elektrokemijskim reakcijama umjesto da se oslanjaju isključivo na litij-bazirane kemije. Kao i svaka baterija, i ove imaju tri glavna dijela – pozitivnu elektrodu (katodu), negativnu elektrodu (anodu) i elektrolit između njih koji prenosi ione tijekom punjenja i pražnjenja. Ključna razlika je u kemiji: kod aluminijskih baterija, metalni aluminij često služi kao anoda (a u nekim dizajnima i kao izvor iona koji prenose naboj), dok kod sumpornih baterija element sumpor obično služi kao katodni materijal koji prihvaća ione s metalne anode (poput litija ili natrija).

Zašto istraživati aluminij ili sumpor? Oba elementa su izuzetno obilna i jeftina u usporedbi s litijem i kobaltom koji se koriste u Li-ionskim ćelijama. Aluminij je najzastupljeniji metal u Zemljinoj kori i ima vrlo visok teoretski kapacitet za pohranu naboja (svaki atom Al može otpustiti 3 elektrona, što mu daje kapacitet naboja od 2,98 Ah po gramu, što je ogromno) nature.com. Sumpor je jedan od najjeftinijih nemetala (često nusproizvod rafiniranja nafte) i može se vezati s dva litijeva iona po atomu, omogućujući vrlo visok potencijal pohrane energije nature.com, anl.gov. U principu, baterije koje koriste aluminij ili sumpor mogle bi pohranjivati više energije za određenu težinu i koštati znatno manje od današnjih litij-ionskih baterija. Kako objašnjavaju istraživači iz Argonne National Laboratory, “Sumpor je izuzetno obilan i isplativ te može pohraniti više energije od tradicionalnih baterija na bazi iona.” anl.gov Isto tako, aluminij je jeftin, široko dostupan i gusto pohranjuje naboj i po težini i po volumenunature.com. Drugi veliki motivator je sigurnost i održivost. Litij-ionske baterije koriste zapaljive organske tekuće elektrolite i često zahtijevaju rijetke metale (poput kobalta, nikla, litija) koji stvaraju probleme u opskrbnom lancu i etička pitanja. Nasuprot tome, mnogi dizajni aluminijskih i sumpornih baterija mogu koristiti nezapaljive elektrolite (poput ionskih tekućina ili rastaljenih soli) i izbjeći konfliktne minerale. Na primjer, nedavni dizajn litij-sumporne baterije koristi samo “obilno dostupne lokalne materijale, eliminirajući potrebu za iskopanim mineralima poput nikla, kobalta, mangana i grafita,” prema startupu Lyten lyten.com. Profesor MIT-a Donald Sadoway – vodeći inovator u području baterija – izričito traži “jeftine, na Zemlji obilne” sastojke kako bi izumio nešto “mnogo bolje od litij-iona”, odlučivši se za aluminij za anodu i sumpor za katodu u svojoj najnovijoj kemiji baterija news.mit.edu. Ukratko, aluminijske i sumporne baterije pokušaj su izgradnje jeftinije, sigurnije i etičnije baterije korištenjem elemenata koji su obilni (nema globalne nestašice), jeftini i inherentno visokog kapaciteta. Sada ćemo istražiti kako te baterije funkcioniraju u praksi i različite vrste koje su u razvoju.

Kako rade? (Osnove baterija jednostavnim jezikom)

Baterije na bazi aluminija obično koriste aluminijsku metalnu anodu. Kada se baterija prazni, aluminijska metalna anoda otpušta elektrone (proizvodeći električnu struju) i aluminijeve ione (Al³⁺) koji putuju kroz elektrolit do katode. Ovisno o vrsti baterije, ti aluminijevi ioni ili se interkaliraju (ubacuju) u materijal katode ili s njim reagiraju. Na primjer, u aluminij-ionskoj bateriji, Al³⁺ ioni ulaze u slojevitu katodu (poput grafita ili metalnog oksida) i izlaze tijekom punjenja news.stanford.edu. U aluminij-sumpornoj bateriji, aluminijevi ioni reagiraju sa sumporom na katodi stvarajući aluminij-sumporne spojeve tijekom pražnjenja, a zatim se vraćaju u aluminijski metal tijekom punjenja nature.com. A u aluminij-zrak baterijama, aluminijski metal reagira s kisikom iz zraka na posebnoj katodi, stvarajući aluminijev oksid ili hidroksid – reakcija koja oslobađa električnu energiju dok se aluminijska anoda ne potroši.

Baterije na bazi sumpora obično uključuju sumpornu katodu uparenu s metalnom anodom (najčešće litij, ali mogu se koristiti i natrij, pa čak i magnezij ili aluminij). Uzmimo za primjer litij-sumpornu (Li-S) bateriju: tijekom pražnjenja, atomi litija na anodi otpuštaju elektrone i postaju litijevi ioni (Li⁺) koji putuju kroz elektrolit do sumporne katode. Sumpor (S₈ molekule) tamo se pretvara u litijev sulfid (Li₂S) inkorporiranjem litijevih iona – zapravo, sumpor upija litijeve ione i elektrone kako bi stvorio nove spojeve, pohranjujući energiju u kemijskim vezama. Tijekom punjenja, ovaj se proces obrće: litijevi ioni napuštaju sumpor i vraćaju se na anodu, a sumpor se regenerira. Budući da se svaki atom sumpora može vezati za dva atoma litija, a S₈ prstenovi mogu se razbiti u razne litijeve polisulfidne molekule, Li-S baterije teoretski mogu pohraniti 3–5 puta više energije po težini od Li-ion baterija. Natrij-sumporne (Na-S) baterije rade analogno s natrijevim ionima i obično stvaraju natrijeve polisulfide ili natrijev sulfid.

U svim ovim baterijama, ioni putuju naprijed-natrag kroz elektrolit dok elektroni teku kroz vanjski krug – tako se baterija puni i prazni. Elektrolit može biti tekućina, gel ili čvrsta tvar koja omogućuje kretanje iona, ali prisiljava elektrone da idu kroz krug (što napaja vaš uređaj). Važno je napomenuti da neke od ovih novih kemija zahtijevaju posebne elektrolite za rad. Aluminij-ionske baterije često koriste ionske tekućine ili elektrolite na bazi rastaljenih soli jer Al³⁺ ioni snažno djeluju s tipičnim otapalima. Zapravo, prve punjive aluminijske baterije postale su izvedive tek kada su istraživači pronašli ionsku tekućinu na sobnoj temperaturi (na bazi kloroaluminatnih soli) koja omogućuje aluminijevim ionima da učinkovito ulaze i izlaze iz grafitne katode news.stanford.edu. Slično, litij-sumporne baterije često koriste modificirane tekuće elektrolite ili čvrste elektrolite kako bi spriječile probleme o kojima ćemo kasnije govoriti (poput curenja sumpora u elektrolit).

Da sažmemo jednostavno: aluminijske baterije proizvode energiju tako što aluminijski metal otpušta više elektrona po atomu (nevjerojatno visok naboj po atomu metala) i stvara veze ili s katodom domaćinom ili s kisikom/sumporom, dok sumporne baterije proizvode energiju tako što lagani, obilni element (sumpor) hvata metalne ione i elektrone u spojeve bogate energijom. Oba dizajna nas pomiču dalje od prijenosa jednog litij-iona kod trenutnih baterija, potencijalno omogućujući više energije po punjenju. Sljedeće, pogledajmo konkretne vrste ovih baterija koje su u razvoju.

Vrste baterija na bazi aluminija

Istraživači proučavaju nekoliko vrsta baterija koje koriste aluminij na različite načine:

• Punljive aluminij-ionske baterije (Al-Ion): Ove baterije koriste aluminijsku metalnu anodu i obično grafitnu katodu sa posebnim elektrolitom na bazi ionske tekućine. Poznat rani primjer dolazi sa Sveučilišta Stanford iz 2015. godine, gdje su znanstvenici demonstrirali prototip aluminij-ionske baterije s aluminijskom anodom i grafitnom katodom u ionskoj tekućini. Pokazala je izuzetno brzo punjenje (mala ćelija mogla se napuniti za otprilike jednu minutu!) i iznimno dug vijek trajanja (preko 7.500 ciklusa punjenja bez gubitka kapaciteta) news.stanford.edu. Stanfordova ćelija također je bila vrlo sigurna – istraživači su mogli probušiti ćeliju bez da se zapali, za razliku od litijevih ćelija news.stanford.edu. Međutim, imala je niži napon (~2 volta, otprilike polovica napona tipične Li-ion ćelije) news.stanford.edu, što znači da bi bilo potrebno više ćelija u seriji za postizanje korisnih napona. Ključna prednost: Al-ion baterije obećavaju brzo punjenje, dug vijek trajanja i poboljšanu sigurnost (bez komponenti sklonih zapaljenju), koristeći jeftine materijale (aluminij i ugljik) news.stanford.edu. Istraživanja su u tijeku s ciljem povećanja energetske gustoće pronalaskom boljih katoda i elektrolita za povećanje napona i kapaciteta news.stanford.edu. Nekoliko grupa diljem svijeta (od Stanforda do kineskih sveučilišta news.mit.edu) unapređuje aluminij-ionsku tehnologiju. Na primjer, istraživači ispituju razne materijale za katode (čak i metalne sulfide nature.com) kako bi učinkovitije pohranjivali aluminijeve ione nature.com.
• Aluminij-zrak baterije: Aluminij-zrak je primarna baterija (ne može se puniti električnom energijom, ali se potencijalno može “dopuniti” mehanički) u kojoj aluminijska metalna elektroda reagira s kisikom iz zraka kako bi generirala električnu energiju. Ove ćelije imaju impresivno visoku energetsku gustoću jer je katoda zapravo ambijentalni zrak – što bateriju čini izuzetno laganom. Zapravo, aluminij-zrak paketi mogu imati oko 3 puta više energije po težini od litij-ionskih na razini sustava evreporter.com. Nedostatak je što se, kada se aluminijska anoda oksidira u aluminijev hidroksid ili oksid, ćelija “potroši” i treba novu aluminijsku ploču za nastavak rada. To aluminij-zrak čini sličnijim gorivnoj ćeliji ili produživaču dometa: umjesto punjenja, zamijenili biste aluminijsku ploču (i reciklirali iskorištenu) umjesto da je priključite na punjač. Tvrtke poput Phinergy iz Izraela već godinama pionirski razvijaju aluminij-zrak sustave. U partnerstvu s Indian Oil Corporation, pilotiraju aluminij-zrak 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 aluminij-zrak ćelije prije nego što je trebao “dopunu” aluminijemevreporter.com. Izvršni direktor Phinergyja, David Mayer, ističe da je aluminij-zrak tehnologija “sigurna, nezapaljiva,” zahtijeva bez teške infrastrukture za punjenje, i može se “napuniti” (zamjenom aluminija) “u nekoliko minuta” umjesto sati evreporter.com. Nedostatak je uspostava cijelog lanca opskrbe za masovnu proizvodnju i recikliranje aluminijskih ploča. Ipak, ova tehnologija je već komercijalno dostupna u nišama: npr. Phinergyjeve aluminij-zrak jedinice koriste se kao rezervno napajanje za telekom tornjeve (umjesto dizel generatora) u Izraelu i Europi evreporter.com. Aluminij-zrak baterije možda neće izravno zamijeniti punjivu bateriju u vašem telefonu, ali bi mogle služiti kao produživači dometa za električna vozila ili za dugotrajnu pohranu – pružajući veliku energetsku rezervu koju povremeno zamjenjujete.
• Aluminij-sumporne baterije: Zanimljivo, neki istraživači kombiniraju aluminij i sumpor u jednoj bateriji – koristeći aluminij kao anodu i sumpor kao katodu, s elektrolitom od rastaljene soli ili ionske tekućine. Ovaj hibridni pristup pokušava iskoristiti najbolje od oba elementa: visoki kapacitet anode aluminija i visoki kapacitet katode sumpora, sve s nevjerojatno jeftinim materijalima. U kolovozu 2022. tim pod vodstvom Donalda Sadowaya s MIT-a predstavio je novi dizajn aluminij-sumporne baterije koji je odmah privukao pažnju zbog niske cijene i performansi. Koristi rastopljene kloro-aluminatne soli kao elektrolit, koji rade na umjerenoj temperaturi (oko 110 °C, slično kao šalica vruće kave) kako bi sol ostala tekuća news.mit.edu. Grijani elektrolit bio je pametan izbor: ne samo da nije zapaljiv i jeftin, već je i spriječio nastanak dendrita – onih dosadnih metalnih izbočina koje mogu izazvati kratki spoj u baterijama. Kako je Sadoway rekao, odabrana sol “praktički je eliminirala ove nekontrolirane dendrite, a istovremeno omogućila vrlo brzo punjenje” news.mit.edu. Njegova aluminij-sumporna prototipna ćelija mogla se napuniti za manje od minute bez kratkog spoja, i radila je stotine ciklusa s procijenjenom cijenom po ćeliji oko jedne šestine u odnosu na usporedive litij-ionske ćelije news.mit.edu. Ovo je ogromno smanjenje troškova, što su potvrdili i vanjski analitičari; troškovi materijala za ove baterije mogli bi biti 85% niži od litij-ionskih prema časopisu Science news.mit.edu. Vizija je koristiti takve ćelije za stacionarno skladištenje (npr. pohrana solarne energije za noćnu upotrebu) i možda za podršku brzom punjenju električnih vozila. Sadowayev dizajn komercijalizira startup pod nazivom Avanti, koji ima za cilj povećati proizvodnju ćelija i provesti testove izdržljivosti u bliskoj budućnosti news.mit.edu. U međuvremenu, druge grupe dodatno razvijaju koncept aluminij-sumpor: u siječnju 2024. istraživači u Kini izvijestili su o punjivoj Al-S bateriji koja može raditi na 85 °C (nešto ispod točke vrenja vode, još lakše za održavanje) s izvrsnim vijekom trajanja – preko 1.400 ciklusa s gubitkom kapaciteta od samo 15%, i mogućnošću brzog punjenja na toj temperaturi nature.com. Snižavanje radne temperature ispod 100 °C znači da bi jednostavno grijanje vrućom vodom moglo održavati bateriju, što “uvelike pojednostavljuje” termalno upravljanje i otvara vrata široj primjeni nature.com. Zaključak: Aluminij-sumporne baterije mogle bi postati revolucionarno rješenje za skladištenje energije u mreži i možda određenna vozila, isporučujući ultra-jeftine, na vatru otporne baterije koje koriste aluminij (najzastupljeniji metal) i sumpor (najjeftiniji nemetali) news.mit.edu.

Vrste baterija na bazi sumpora

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

• Litij-sumporne (Li-S) baterije: Litij-sumporna kemija jedna je od najviše proučavanih “post-litijevih” kemija zbog svog iznimno visokog energetskog potencijala. Li-S ćelija može teoretski pohraniti do 5 puta više energije po težini od litij-ionske ćelije, budući da je sumpor vrlo lagan i svaki atom sumpora može vezati više atoma litija. U praksi, Li-S baterije su već pokazale energetsku gustoću od oko 400–500 Wh/kg (otprilike dvostruko više od Li-ion) u laboratorijima businessaviation.aero, apricum-group.com. Također su privlačne jer su vrlo jeftine i ekološke – sumpor gotovo ništa ne košta i ima ga u izobilju, a Li-S ćelije ne sadrže kobalt ni nikal. Međutim, Ahilova peta Li-S baterija bila je dugovječnost i stabilnost. Tradicionalni Li-S prototipovi patili su od “polisulfidnog šatla”: međuprodukti sumpora (polisulfidi) otapaju se u elektrolitu tijekom cikliranja i migriraju do litijeve anode, uzrokujući samopražnjenje, koroziju i brzo opadanje kapaciteta anl.gov. Također dolazi do značajnog “disanja” (promjene volumena) – sumpor se znatno širi i skuplja tijekom punjenja/pražnjenja, što može oštetiti strukturu ćelije reuters.com. Zbog tih problema, rane Li-S baterije su otkazivale nakon samo nekoliko desetaka ciklusa. Dobra vijest je da nedavni proboji rješavaju te probleme. Istraživači su razvili nanostrukturirane katode od ugljika i aditive za elektrolit kako bi zarobili polisulfide i produžili vijek trajanja nature.com. U siječnju 2023., Argonne National Lab demonstrirao je Li-S ćeliju s posebnom poroznom “redoks-aktivnom” međuslojem koji je gotovo eliminirao problem šatla, omogućivši bateriji da izdrži više od 700 ciklusa uz održavanje visokog kapaciteta anl.gov. “Prethodne [sumporne] baterije su samo suzbijale šatl, ali su žrtvovale energiju. Naš sloj dodaje kapacitet pohrane i suzbija šatl,” objasnio je Argonne kemičar Guiliang Xu anl.gov. To sugerira da se Li-S baterije mogu učiniti i visokokapacitetnima i dugotrajnima. Zapravo, tvrtke se sada natječu u njihovoj komercijalizaciji: Lyten, startup iz Kalifornije, razvio je litij-sumpornu ćeliju ojačanu vlasničkim 3D grafenskim materijalima i cilja na nišne tržišta poput dronova, zrakoplovstva i obrane u 2024.–2025. lyten.com. Lyten tvrdi da su njihove Li-S baterije 40% lakše od današnjih litij-ionskih (i 60% lakše od baterija na bazi željezo-fosfata), dok su jeftinije u masovnoj proizvodnji zbog eliminacije nikla, kobalta i drugih skupih materijala lyten.com. Druga tvrtka, Theion (Njemačka), radi na kristalnim sumpornim katodama i nedavno je izvijestila o Li-S ćelijama s 3× većom energetskom gustoćom od Li-ion, uz samo trećinu troška, i potencijalno trećinu emisija pri proizvodnji reuters.com. Theionov izvršni direktor Ulrich Ehmes rekao je da bi njihove baterije – koje izbjegavaju probleme s korozijom korištenjem stabilnog oblika sumpora i unaprijed proširenim dizajnom – mogle biti u električnim vozilima “prije kraja desetljeća” ako razvoj ostane na pravom putu reuters.com. Ukratko, litij-sumporne baterije su na pragu prelaska iz laboratorija na tržište, obećavajući ultra-lake, visokoučinkovite pakete za primjene gdje je važan svaki kilogram (električni zrakoplovi, električna vozila dugog dometa, svemir).
• Natrij-sumpor (Na-S) baterije: Natrij i sumpor možda zvuče kao neočekivan par (natrij je izuzetno reaktivan, a rane Na-S baterije radile su vruće na 300°C), ali ova kemija ima dugu tradiciju u skladištenju energije za elektroenergetsku mrežu. Visokotemperaturne Na-S baterije koriste se za skladištenje energije u elektroenergetskim sustavima desetljećima (posebno od strane NGK u Japanu) – rade s rastaljenim natrijem i sumporom odvojenima čvrstim keramičkim elektrolitom, pružajući dobru učinkovitost i dugovječnost za stacionarno skladištenje. Međutim, potreba da se održavaju na ~300 °C ograničila je širu primjenu. Nedavno je došlo do uzbuđenja oko natrij-sumpornih baterija na sobnoj temperaturi koje bi mogle ponuditi jeftinu i sigurnu alternativu za skladištenje velikih razmjera. Krajem 2022. tim sa Sveučilišta u Sydneyu najavio je “jeftinu bateriju s četiri puta većim kapacitetom od litij-ionske” koristeći novi Na-S dizajn na sobnoj temperaturi sydney.edu.au. Korištenjem porozne ugljične elektrode i jednostavne toplinske obrade (pirolize) za stvaranje reaktivnijeg oblika sumpora, postigli su izuzetno visok kapacitet i iznimno dug vijek trajanja na sobnoj temperaturi, prevladavajući prethodnu “sporost” Na-S baterija sydney.edu.au. Glavni istraživač dr. Shenlong Zhao rekao je da ova natrij-sumporna baterija “ima potencijal dramatično smanjiti troškove uz četiri puta veći kapacitet skladištenja. Ovo je značajan iskorak za razvoj obnovljive energije…” sydney.edu.au. Doista, natrij i sumpor su još obilniji i jeftiniji od litija, pa bi uspješna Na-S baterija mogla biti veliki dobitak za skladištenje energije u mreži – omogućujući velike baterije za vjetroelektrane/solarne elektrane uz minimalne troškove. Iako Na-S ćelije ne mogu parirati Li-ion baterijama za potrebe kompaktnih električnih vozila (natrij je teži, a ove ćelije su trenutno većeg formata), mogle bi postati ključni dio infrastrukture čiste energije, nudeći sigurno i jeftino skladištenje za vrijeme kada sunce ne sja ili vjetar ne puše sydney.edu.au. Istraživanja se nastavljaju diljem svijeta (Kina, Australija, Europa) kako bi se usavršile Na-S baterije na sobnoj temperaturi za komercijalizaciju.
• Ostale baterije na bazi sumpora: Osim Li-S i Na-S, istraživači su eksperimentirali sa sumpornim katodama u kombinaciji s drugim metalima poput magnezija ili kalcija, pa čak i uparivanjem sumpora s aluminijem (kao što je ranije spomenuto). Ove multivalentne baterije metal–sumpor (gdje ionski metal nosi više od jednog naboja, npr. Al³⁺ ili Mg²⁺) privlačne su iz istog razloga kao aluminij ili sumpor sami – zbog obilja i visokog kapaciteta – ali suočavaju se s još složenijom kemijom i uglavnom su u ranim fazama istraživanja advanced.onlinelibrary.wiley.com. Na primjer, magnezij-sumpor ćelije imaju problema s kompatibilnošću elektrolita i sporom kinetikom. Baterije sa čvrstim elektrolitom na bazi sumpora još su jedna najsuvremenija varijacija: korištenjem čvrstog elektrolita (često sulfida ili polimera), znanstvenici nastoje napraviti Li-S ćelije koje su sigurnije (bez zapaljive tekućine) i koje u potpunosti suzbijaju “polisulfidni shuttle” onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA aktivno razvija litij-sumpornu bateriju sa čvrstim elektrolitom (projekt SABERS) koristeći katodu od sumpora i selena te novi čvrsti elektrolit, postižući gustoće energije od ~500 Wh/kg pogodne za električnu avijaciju businessaviation.aero. Privlačnost sumpora – lagan, obilan, snažan – stavila ga je u središte mnogih futurističkih koncepata baterija.

Nakon što smo obradili pregled aluminijskih i sumpornih tipova baterija, sada možemo usporediti kako se ove tehnologije nose s vladajućim litij-ionskim baterijama i koje jedinstvene prednosti nude.

Ključne prednosti i prednosti u odnosu na litij-ionske baterije

I aluminijske i sumporne baterije obećavaju značajne prednosti u cijeni, održivosti i performansama ako se njihov razvoj uspješno nastavi. Evo ključnih prednosti:

• 🌎 Obilni, jeftini materijali: Aluminij i sumpor su jeftini i dostupni gotovo svugdje. Aluminij je najzastupljeniji metal u Zemljinoj kori, a sumpor je čest nusproizvod rafiniranja. To znači da troškovi materijala mogu biti drastično niži. Izvještaj časopisa Science navodi da sirovine za aluminij-sumpor baterije mogu biti 85% jeftinije od onih za litij-ionske baterije news.mit.edu. Theion (startup za sumporne baterije) slično tvrdi da će njihove ćelije koštati samo trećinu cijene Li-ion ćelija reuters.com. Sadowayevim riječima, ove baterije su “etički dobivene, jeftine, [i] učinkovite” news.mit.edu – izbjegavaju skupe metale koji su često povezani s problematičnim rudarenjem. Korištenje obilnih resursa također znači manje uskih grla u opskrbi; nećemo se suočavati s nestašicama litija ili kobalta ako aluminij-sumpor baterije postanu popularne.
• 🔥 Poboljšana sigurnost (nezapaljive): Mnoge nove aluminij/sumpor baterije dizajnirane su da budu znatno sigurnije. Umjesto zapaljivih organskih elektrolita, mogu koristiti anorganske rastaljene soli ili čvrste elektrolite koji se ne mogu zapaliti news.mit.edu. Aluminij-ionske i aluminij-sumporne 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. Isto tako, sumporne katode u kombinaciji s čvrstim ili gel elektrolitima mogu bolje odolijevati toplinskom bijegu od konvencionalnih Li-ion baterija. Phinergyjev aluminij-zrak sustav je inherentno nezapaljiv i “siguran, nezapaljiv” u radu evreporter.com. Povećana sigurnost ne štiti samo korisnike, već i pojednostavljuje transport i proizvodnju (nema potrebe za skupim hlađenjem ili sustavima za gašenje požara u baterijskim paketima).
• ⚡ Visoka gustoća energije i mala težina: Obje kemije nude potencijal za veće skladištenje energije po težini od današnjih baterija. Na primjer, litij-sumporne baterije postigle su ~500 Wh/kg u prototipovima businessaviation.aero – otprilike dvostruko više od najboljih Li-ion baterija, što omogućuje znatno lakše baterijske pakete. Lyten izvještava da će njihove Li-S ćelije biti do 40% lakše od Li-ion paketa za istu količinu energije lyten.com. Theion cilja na 3x veću gustoću energije od Li-ion baterija reuters.com. Za električna vozila i zrakoplove, to bi moglo značiti veći doseg ili veći teret za istu težinu baterije. Aluminij-zrak baterije imaju iznimno visoku gustoću energije (korištene su za postavljanje rekorda vožnje električnog vozila od 1.100 milja na jedan “spremnik” aluminij-zrak prije nekoliko godina), iako je potrebno ponovno punjenje. Čak i aluminij-ionske baterije, iako imaju nižu teorijsku energiju od Li-S, mogu se istaknuti u gustoći snage – Stanfordova ćelija mogla se potpuno napuniti za jednu minutu news.stanford.edu, što upućuje na baterije koje se pune jednako brzo kao što se puni spremnik goriva. Ukratko, ove tehnologije mogle bi omogućiti ili znatno više energije (za dugotrajnu upotrebu) ili znatno brže pražnjenje/punjenje od Li-ion baterija, ili oboje.
• 🔋 Potencijal za dug životni vijek: Pravilno dizajnirane, aluminijske i sumporne baterije mogle bi trajati jednako dugo ili dulje od Li-ion baterija. Anode od aluminijskog metala ne stvaraju istu vrstu dendrita kao litij (posebno uz odgovarajuće elektrolite) news.mit.edu, pa mogu biti vrlo izdržljive. Stanfordova Al-ion ćelija izdržala je više od 7.500 ciklusa (red veličine više od Li-ion) news.stanford.edu. Sumporne ćelije su povijesno imale slab životni vijek, ali novi dizajni (međuslojevi, čvrsto stanje itd.) postižu stotine ili tisuće ciklusa s minimalnim gubitkom anl.gov, nature.com. Za stacionarno skladištenje, baterija koja pouzdano radi svaki dan 10+ godina je ključna, a razvojni inženjeri ovih kemija posebno su usmjereni na stabilnost.
• ♻️ Ekološke i etičke prednosti: Budući da koriste lako dostupne materijale, ove baterije izbjegavaju ekološku štetu povezanu s rudarenjem i preradom rijetkih metala poput kobalta, nikla i litija. Također dolazi do smanjenja ugrađenog ugljičnog otiska same baterije. Theion procjenjuje da će njihove ćelije sa sumpornim baterijama ispuštati samo trećinu CO₂ tijekom proizvodnje u usporedbi s Li-ion ćelijama reuters.com. Sumpor je često otpadni proizvod (milijuni tona stoje na zalihama), pa je njegova upotreba u baterijama zapravo recikliranje industrijskog otpada. Aluminij je također visoko reciklabilan – postojeća globalna infrastruktura za recikliranje može se iskoristiti za lako vraćanje aluminija iz potrošenih baterija. Etički gledano, korištenje sumpora i aluminija zaobilazi probleme dječjeg rada i ljudskih prava koji prate rudarenje kobalta. Svi ovi čimbenici znače da bi baterije nove generacije mogle biti održivije i društveno odgovornije kroz cijeli svoj životni ciklus.
• 💡 Brzo punjenje i velika snaga: Neki aluminij/sumpor dizajni pokazuju ultra-brzu mogućnost punjenja. Spomenuli smo punjenje za 60 sekundi u laboratorijskim testovima news.stanford.edu. Dodatno, aluminij-sumporne ćelije u laboratoriju su radile na vrlo visokim brzinama punjenja (npr. punjenje na 1C ili više na povišenoj temperaturi uz izvrsno zadržavanje kapaciteta) nature.com. Aluminij-zrak baterije mogu se “napuniti” trenutno zamjenom aluminija. Ove značajke mogle bi ublažiti jednu od najvećih pritužbi potrošača na EV vozila i gadgete – dugo vrijeme punjenja – i također omogućiti veliku izlaznu snagu kad je potrebno (zamislite električne alate ili EV vozila s aluminijskim baterijama koje daju snažan udarac bez pada napona).

Važno je napomenuti da se ne odnose sve ove prednosti jednako na sve varijante (na primjer, aluminij-zrak daje veliku energiju, ali se ne može električno puniti; aluminij-ionske baterije se brzo pune, ali imaju niži napon; Li-S je vrlo lagan, ali trenutno ima umjeren vijek trajanja). Ipak, opće obećanje aluminijskih i sumpornih baterija je da možemo dramatično smanjiti troškove i ovisnost o rijetkim materijalima, a istovremeno pružiti jednaku ili bolju učinkovitost u ključnim područjima sigurnosti, energije i snage.

Izazovi i tehničke prepreke

Ako su aluminijske i sumporne baterije tako dobre, zašto ih još nema posvuda? Istina je da se ove tehnologije suočavaju sa značajnim izazovima koje istraživači i inženjeri još uvijek pokušavaju prevladati:

• Polisulfidni shuttle i degradacija katode (problemi sa sumporom): U litij-sumpor i drugim baterijama sa sumpornom katodom, zloglasni polisulfidni shuttle problem bio je glavna prepreka. Tijekom ciklusa baterije, sumpor prolazi kroz međufaze koje se mogu otopiti u elektrolitu i prijeći na anodu, uzrokujući samopražnjenje, gubitak aktivnog materijala i čak štetne reakcije s anodom anl.gov. To dovodi do brzog pada kapaciteta. Štoviše, sumporne katode imaju tendenciju bubrenja i skupljanja značajno (do ~80% promjene volumena) dok se pretvaraju u litijev sulfid i natrag reuters.com. Ovo “disanje” može s vremenom usitniti katodu ili je odvojiti od kolektora struje. Iako su nove strategije (poput dodavanja zaštitnih međuslojeva anl.gov, korištenja nanostrukturiranih ugljičnih nosača ili čvrstih elektrolita) ublažile ove probleme, osigurati da sumporna baterija može izdržati stotine ciklusa u stvarnim uvjetima i dalje ostaje ključni izazov.
• Dendriti i problemi s taloženjem (metalne anode): Anode od aluminijskog metala, kao i druge metalne anode, mogu formirati dendrite (tanke, vodljive niti) tijekom punjenja, što može dovesti do kratkog spoja ćelije. Zapravo, glavni razlog zašto aluminijske baterije dugo nisu uspijevale bio je taj što nitko nije mogao postići da taloženje/uklanjanje aluminija bude pouzdano ponovljivo – često bi se stvarao “mahovinasti” talog ili bi se deaktivirao stvaranjem površinskog oksida. Ionske tekućine i rastaljeni soli kao elektroliti znatno su pomogli “ukrotiti” ovaj problem (jedan tim je izvijestio da njihova aluminijska baterija s rastaljenom soli “nikada nije izgubila ćeliju zbog kratkog spoja uzrokovanog dendritima” u testovima brzog punjenja news.mit.edu). No, ako bi se koristio konvencionalniji elektrolit, dendriti ili sporedne reakcije s aluminijevim oksidnim slojem mogli bi biti problematični. Slično, ako se litijev metal koristi kao anoda u sumpornim baterijama (što je uobičajeno u Li-S dizajnima), pojavljuju se litijevi dendriti i sigurnosni problemi, osobito ako se koriste tekući elektroliti. Istraživači često uparuju Li-S s zaštitnim membranama ili čvrstim dizajnima kako bi spriječili litijeve dendrite.
• Nizak radni napon i energetska učinkovitost (aluminij-ionske baterije): Aluminij-ionske baterije, osobito one koje koriste interkalaciju (npr. grafitne katode), obično imaju niži napon ćelije od Li-ion baterija. Poznata Stanfordova aluminij-ionska ćelija proizvodila je oko 2,0 volta news.stanford.edu, dok je litij-ionska ćelija ~3,7 V nominalno. To je djelomično zbog kemije interkalacije Al³⁺ i ograničenja elektrolita. Niži napon znači da je potrebno više ćelija u seriji (što dodaje složenost i određeni gubitak energije) kako bi se postigao željeni napon baterijskog paketa. Tu je i problem multivalentnih iona poput Al³⁺ koji imaju sporu kinetiku u čvrstim tvarima – pomicanje iona s +3 nabojem je teže nego iona s +1 poput Li⁺, pa je postizanje velike snage teško osim ako se ne povisi temperatura ili ne koriste posebni elektroliti nature.com. Neke aluminijske baterije dobro rade samo na povišenim temperaturama (60–100 °C), što bi moglo zakomplicirati njihovu upotrebu u potrošačkoj elektronici (nitko ne želi stalno vruću bateriju u svom telefonu!). Dobra vijest: inovacije u elektrolitima (poput dodavanja određenih soli ili korištenja novih smjesa) poboljšavaju vodljivost aluminij-iona na nižim temperaturama nature.com.
• Zahtjevi za temperaturom: Kao što je navedeno, nekoliko aluminijskih i natrijevih dizajna koristi elektrolite na bazi rastaljenih soli koji se moraju održavati toplima. Na primjer, MIT aluminij-sumporna baterija optimalno radi na oko 110 °C news.mit.edu, a čak i poboljšana varijanta radi na 85 °C nature.com. Iako to nije izuzetno vruće prema industrijskim standardima, znači da bi baterijski paket trebao imati izolaciju i možda mali grijač kako bi ostao u ispravnom rasponu. Ovo je u redu za stacionarno skladištenje (gdje baterija veličine hladnjaka može imati termalno upravljanje), ali je izazov za prijenosne uređaje i električna vozila osim ako se toplina ne može samoodržavati (Sadowayeva ćelija zapravo sama zagrijava tijekom cikliranja kako bi održala temperaturu news.mit.edu). Rad na visokim temperaturama također zahtijeva robusno brtvljenje i sigurnosne mjere (iako je prednost što nema rizika od požara). Istraživači rade na snižavanju radnih temperatura i čak istražuju kemije na sobnoj temperaturi za sustave na bazi Al i Na nature.com.
• Infrastruktura za punjenje i “dopunjavanje goriva” (Al-Air): Jedinstveno za aluminij-zrak (i slične metal-zrak sustave) je problem što se ne mogu puniti priključivanjem na punjač. Potrebno je zamijeniti ili reciklirati aluminijsku anodu nakon što se potroši. To zahtijeva stvaranje cijele infrastrukture za zamjenu aluminijskih ploča ili uložaka, prikupljanje potrošenih i recikliranje aluminija (vjerojatno kroz proces taljenja na električni pogon, što zapravo “puni” aluminij). Indian Oil i Phinergy aktivno rade na ovom ekosustavu evreporter.com, ali to je drugačiji model od benzinskih ili punionica. Bez široke podrške, aluminij-zrak bi mogao ostati niša. Dodatno, nusproizvod aluminij-zrak baterija (aluminijev hidroksid) treba zbrinuti – iako se može reciklirati u novi aluminij ili druge proizvode.
• Povećanje proizvodnje i integracija: Litij-ionska tehnologija ima prednost od 30 godina s masovnom proizvodnjom, optimiziranim opskrbnim lancima i dobro obučenom radnom snagom. Svaka nova kemija baterija suočava se s izazovom prelaska iz laboratorija ili pilot faze na gigatvornicu. Aluminijske i sumporne baterije mogu zahtijevati nove proizvodne procese (na primjer, rukovanje ionskim tekućinama osjetljivim na vlagu ili čvrstim elektrolitima, ili nove dizajne ćelija poput Theionovih slojevitih elektroda). Povećanje proizvodnje bez grešaka i uz niske troškove 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 uvjeti mogu značiti da je potrebno prepraviti sve, od sustava za upravljanje baterijama do dizajna šasije automobila. Ovi prijelazni troškovi i neizvjesnosti mogu usporiti prihvaćanje.
• Trenutni status (spremnost tehnologije): Iako su 2024. i 2025. donijele velika otkrića (o čemu ćemo uskoro), mnoge aluminijske i sumporne baterijske tehnologije još su uvijek u prototipnoj ili ranoj komercijalnoj fazi. Nijedna još nije doživjela masovnu primjenu kakvu ima litij-ionska tehnologija. Na primjer, litij-sumporne ćelije tek sada ulaze na ograničena tržišta poput dronova i satelita, gdje se njihov kratak vijek može tolerirati ili ublažiti. Aluminij-sumpor i aluminij-ion su u fazi demonstracije i povećanja proizvodnje; nijedan električni automobil ili mreža još nema veliku takvu bateriju u punoj upotrebi. To znači da još uvijek postoji rizik od nepredviđenih problema u stvarnoj upotrebi (sjetite se kako je Li-ion imao incidente s termalnim bijegom u ranim danima). Bit će potrebno vrijeme, ulaganja i vjerojatno nekoliko iteracija prije nego što ove tehnologije postanu pouzdane kao postojeće. Kao skeptična napomena: litij-ionske baterije također svake godine napreduju – s novim kemijama poput litij-željezo-fosfata (LFP) i litij-metal čvrstog stanja na horizontu – pa aluminijske i sumporne baterije moraju ne samo funkcionirati, već i konkurirati sve boljoj postojećoj tehnologiji.

Ukratko, aluminijske i sumporne baterije imaju ogroman potencijal, ali također predstavljaju jedinstvene izazove. Istraživači iskreno priznaju da je potrebno još rada; kako je jedan tim napisao 2022., unatoč napretku, “Al–S baterije su povijesno imale lošu sposobnost brzog punjenja i stabilnost ciklusa”, što zahtijeva kontinuirane inovacije u elektrolitima i elektrodama nature.com. Prevladavanje ovih izazova upravo je ono na što su mnogi laboratoriji i startupovi trenutno usmjereni.

Tko predvodi utrku? Glavni igrači u razvoju

Ovo uzbudljivo područje okuplja akademske laboratorije, startupe i industrijske divove koji pomiču granice. Evo nekih od najznačajnijih sudionika i čime se bave:

• Massachusetts Institute of Technology (MIT) & Avanti: MIT je središte inovativnih istraživanja baterija. Grupa profesora Donalda Sadowaya na MIT-u predvodila je koncept aluminij-sumpor baterije. Nakon objave revolucionarnih rezultata u Nature 2022. godine, Sadoway je suosnovao Avanti kako bi komercijalizirao ovu tehnologiju news.mit.edu. Cilj Avanti-a je povećati proizvodnju aluminij-sumpor ćelija za stacionarno skladištenje i šire. Sadoway je poznat i po tome što je suosnovao Ambri, tvrtku koja komercijalizira baterije s tekućim metalom (koristeći različite kemije poput kalcija i antimona). Ambri cilja na skladištenje energije u elektroenergetskoj mreži i navodno je 2024. godine počeo s implementacijom sustava youtube.com. Između Ambri i Avanti, Sadowayeve inovacije mogle bi pokriti velike baterije za elektroenergetske sustave pa sve do manjih baterija za zgrade ili stanice za punjenje električnih vozila news.mit.edu. Utjecaj MIT-a tu ne prestaje – njegovi istraživači također istražuju litij-sumpor u projektima, a institut često surađuje s nacionalnim laboratorijima i tvrtkama na najnovijim tehnologijama baterija.
• Sveučilište Stanford i SLAC: Stanford je rano privukao pažnju aluminij-ionskim baterijama (prototip Al-ion baterije iz 2015. s brzim punjenjem news.stanford.edu). Taj rad, pod vodstvom prof. Hongjie Daija, pokazao je da jednostodna grafitna katoda može omogućiti punjivu aluminijsku bateriju. Stanford nastavlja s istraživanjem baterija; primjerice, SLAC (Stanford Linear Accelerator Lab) proučavao je nove katode za aluminijske baterije poput metalnih sulfida nature.com, te istraživao međupovršinsku kemiju radi poboljšanja cikličnosti. Iako otkriće sa Stanforda iz 2015. još nije preraslo u komercijalni proizvod, pokazalo je izvedivost i citirano je u brojnim kasnijim studijama. Također je naglasilo Stanfordovu etiku otvorenog istraživanja koje vodi do usvajanja u industriji (neki bivši članovi Stanford tima za baterije pridružili su se startupima ili osnovali vlastite u startup sceni baterija u području zaljeva).
• Graphene Manufacturing Group (GMG) i Sveučilište Queensland: U Australiji, GMG (u suradnji sa Sveučilištem Queensland) razvija grafensku aluminij-ionsku bateriju. Prijavili su impresivne performanse u prototipovima tipa “coin-cell” – s iznimno brzim punjenjem i dugim vijekom trajanja – koristeći grafen (oblik ugljika) kao materijal katode u aluminij-ionskoj konfiguraciji batteriesnews.com. GMG nastoji skalirati svoju tehnologiju na “pouch” ćelije prikladne 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) s novim kemijama poput aluminij-ionske za postizanje boljih rezultata.
• Phinergy i Indian Oil (IOC): Phinergy je izraelski startup koji je već više od desetljeća pionir u području aluminij-zrak baterija. Postali su poznati kada su 2014. godine demonstrirali automobil koji je prešao 1.100 milja koristeći aluminij-zrak tehnologiju, a od tada su se usredotočili na stvarne proizvode za rezervno napajanje i produženje dosega električnih vozila. Phinergy je sklopio partnerstvo s Indian Oil Corporation i osnovao zajedničko poduzeće (IOC Phinergy) koje donosi aluminij-zrak tehnologiju na indijsko tržište – što ima ogroman potencijal za zemlju koja želi pronaći alternative nafti i iskoristiti svoju industriju aluminija. Početkom 2023. IOC Phinergy je predstavio prvo indijsko vozilo na aluminij-zrak pogon i postavljao infrastrukturu za proizvodnju i recikliranje ploča alcircle.com. Indijska vlada također je pokazala interes, jer aluminij-zrak može smanjiti ovisnost o uvoznom litiju. Phinergyjeva tehnologija već se komercijalno koristi za rezervno napajanje telekom tornjeva (zamjenjujući dizel generatore sustavima na aluminij-zrak bez emisija) evreporter.com, a surađuju i s proizvođačima automobila poput Mahindre na integraciji u vozila (npr. testne flote električnih rikši i autobusa s aluminij-zrak tehnologijom za produženi doseg) evreporter.com. Napredak Phinergyja je ključan jer su među prvima koji su aluminijsku bateriju iz laboratorija doveli u praktičnu primjenu na terenu.
• Lyten: Lyten je startup iz Silicijske doline (sa sjedištem u San Joseu, Kalifornija) koji je nekoliko godina radio u tajnosti razvijajući litij-sumpornu bateriju poboljšanu vlasničkim 3D grafenskim materijalom. Nedavno su izašli u javnost s velikim vijestima: u listopadu 2024. Lyten je najavio planove za izgradnju prve svjetske gigatvornice litij-sumpornih baterija u Nevadi, uz ulaganje veće od milijardu dolara lyten.coml. Očekuje se da će postrojenje godišnje proizvoditi 10 GWh Li-S baterija do 2027. godine lyten.com. Ovaj hrabri potez ukazuje na povjerenje da je njihova tehnologija blizu spremnosti za masovnu proizvodnju. Lytenova početna ciljana tržišta nisu putnički električni automobili, već mikromobilnost, zrakoplovstvo, dronovi i obrana u 2024.–2025. lyten.com – područja gdje visoka energetska gustoća Li-S baterija nudi odlučujuću prednost i gdje je nešto kraći vijek trajanja prihvatljiv. Tvrtka naglašava malu težinu svojih baterija i odsutnost konfliktnih minerala, a njihove ćelije doista koriste anode od litij-metala i katode od sumporno-ugljičnog kompozita, izbjegavajući nikal, kobalt itd. lyten.com. Lytenov CEO, Dan Cook, izjavio je “Litij-sumpor je iskorak u baterijskoj tehnologiji, pružajući bateriju visoke energetske gustoće i male težine izrađenu od lokalno dostupnih materijala” lyten.com. Čak su od 2023. interno proizvodili pilot ćelije baterija kako bi testirali i usavršili proizvodni proces lyten.com. Ako Lytenova gigatvornica uspije, to bi moglo biti prekretnica – prve komercijalne Li-S baterije proizvedene u velikim količinama, potencijalno za upotrebu u električnim zrakoplovima nove generacije ili električnim kamionima velikog dometa, gdje je svaka funta bitna.
• Theion: Theion je startup sa sjedištem u Berlinu, Njemačka, koji se fokusira na litij-sumporne baterije s posebnom inovacijom – koriste kristalni sumpor i posebne elektrode za poboljšanje stabilnosti. U ožujku 2025. Theion je prikupio 15 milijuna eura u Series A rundi financiranja kako bi povećao proizvodnju svojih baterijskih ćelija reuters.com. Theion tvrdi da njihove ćelije mogu utrostručiti energetsku gustoću u odnosu na litij-ionske baterije, dok istovremeno smanjuju troškove na trećinu, kao što je ranije spomenuto reuters.com. Navodno su riješili ključne probleme tako što su unaprijed proširili katodu kako bi se prilagodila ekspanziji sumpora i održali sumpor u kristalnom obliku koji je manje reaktivan s elektrolitima reuters.com. Izvršni direktor Ulrich Ehmes izjavio je da bi njihova tehnologija mogla pronaći primjenu u EV-ovima, “letećim taksijima” ili skladištenju energije, te bi potencijalno mogla biti u automobilima do kraja 2020-ih reuters.com. Theionov pristup privukao je pažnju jer se ne oslanja na egzotične materijale – ističu da njihove baterije “dišu” manje i ne korodiraju kao ranije Li-S baterije. Financiranje će im pomoći u razvoju većih pouch ćelija i prelasku s prototipova u obliku kovanica reuters.com. Njemački interes za sumporne baterije također se poklapa s europskim nastojanjima za razvojem domaćih, održivih baterijskih tehnologija.
• Argonne National Laboratory & U.S. DOE: U javnom istraživačkom sektoru, Argonne (zajedno s drugim laboratorijima američkog Ministarstva energetike poput Oak Ridge i Pacific Northwest) aktivno istražuje sumporne baterije. Raspravljali smo o Argonneovom postignuću u dizajnu međuslojeva za Li-S ćelije anl.gov. Također istražuju čvrstotne sumporne baterije u partnerstvu s NASA-om za zrakoplovstvo. Ured za tehnologije vozila DOE-a financirao je više projekata na Li-S, Mg-S, pa čak i Li-Air i Al-Air baterijama, prepoznajući stratešku važnost kemija nove generacije. Nacionalni laboratoriji često surađuju sa sveučilištima (npr. Argonne je radio s timom koji uključuje Sveučilište Illinois na sumpornim međuslojevima) i dijele otkrića na kojima startupovi mogu graditi. Na primjer, mnogo razumijevanja ponašanja polisulfida i napredne karakterizacije (korištenjem alata poput Argonneovog Advanced Photon Source za rendgensku analizu baterija anl.gov) dolazi iz ovih laboratorija.
• Ostali istaknuti: Sveučilišta poput Monash University (Australija) dospjela su u vijesti 2020. s Li-S baterijom koja je navodno mogla napajati pametni telefon pet dana i pokazala izvrsnu stabilnost zahvaljujući inovativnom vezivu i dizajnu elektrode advancedsciencenews.com. Monash je od tada radio i na brzo-punjivoj Li-S bateriji, ciljajući na primjenu u električnom zrakoplovstvu monash.edu. U Ujedinjenom Kraljevstvu, sada ugašeni Oxis Energy bio je pionir u Li-S tehnologiji; prije zatvaranja 2021., Oxis je razvio Li-S ćelije blizu 400 Wh/kg i surađivao s proizvođačima zrakoplova. Njihova intelektualna svojina prešla je u ruke drugih subjekata, što je možda utjecalo na nove projekte. Kineska akademska zajednica i industrija izuzetno su aktivne – institucije poput Kineske akademije znanosti, Sveučilišta za tehnologiju u Wuhanu (koje je suautor Sadowayeva Al-S rada news.mit.edu), i tvrtke poput CATL istražuju sumporne i aluminijske kemije, iako se detalji ponekad drže u tajnosti. Čak je i Tesla Battery Day 2020. nagovijestio interes za sumpor (Elon Musk je u šali spomenuo da Tesla istražuje “litij i sumpor” bez dodatnih pojašnjenja, vjerojatno za dugoročne projekte). Na kraju, NASA i Boeing razmatraju Li-S za zrakoplove: NASA-in SABERS projekt ima višeslojnu sumpornu bateriju koja je dosegla 500 Wh/kg, što bi moglo omogućiti električne zrakoplove ili napredne dronove businessaviation.aero.

Jasno je da globalni ekosustav inovatora gura aluminijske i sumporne baterije naprijed – od poduzetnih startupa do uglednih nacionalnih laboratorija. Sljedećih nekoliko godina (2025.–2030.) vjerojatno će donijeti plodove nekih od tih napora u obliku stvarnih proizvoda i pilot-projekata.

Proboji i nedavne inovacije (2024.–2025.)

Razdoblje od 2024. do 2025. bilo je posebno uzbudljivo za razvoj aluminijskih i sumpornih baterija, s nekoliko značajnih proboja:

• Siječanj 2024. – Aluminij-sumpor na 85 °C (Nature Communications): Istraživači su demonstrirali novu aluminij-sumpor bateriju koja radi na 85 °C s kvaternarnim elektrolitom od rastaljene soli, objavljeno u Nature Communications nature.com. Ova baterija je pokazala sposobnost brzog punjenja i iznenađujuću dugovječnost: zadržala je 85,4% svog kapaciteta nakon 1.400 ciklusa pri 1C brzini punjenja nature.com. Važno je napomenuti da je 85 °C veliko poboljšanje u odnosu na ranije baterije s rastaljenom soli koje su zahtijevale 110–180 °C nature.com. Tim je to postigao formuliranjem posebne mješavine soli (alkalni kloroaluminati) s niskom točkom taljenja, što je također omogućilo brzo kretanje aluminijevih iona nature.com. Također su koristili poroznu katodu od ugljika dopiranog dušikom koja je pomogla da reakcije sumpora teku brzo nature.com. Ovaj rezultat je značajan jer ukazuje na praktične, niskotroškovne mrežne baterije koje bi mogle raditi uz jednostavno zagrijavanje (čak i samo vruća voda kao izvor topline, kako autori napominju nature.com) i omogućiti brzo punjenje bez degradacije. Ovo je korak prema tome da MIT-ov Al-S koncept baterije postane pristupačniji i mobilniji.
• Lis 2024. – Lyten najavljuje Li-S gigatvornicu: Lytenova najava gigatvornice litij-sumpor baterija u Nevadi bila je glavna vijest u industriji krajem 2024. lyten.com. Planirano je da bude prva gigatvornica na svijetu posvećena Li-S ćelijama, s ciljem proizvodnje od 10 GWh/godišnje do 2027. lyten.com. Još je upečatljivije 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, romobili), zrakoplovstvu (možda sateliti ili bespilotne letjelice na velikim visinama), dronovima i obrambenim aplikacijama koji koriste njihove baterije lyten.com. Ovo sugerira da je Lyten prešao s laboratorijskih prototipova na pilot-proizvodnju i stvarnu terensku upotrebu u tim nišama. Odluka o izgradnji velike tvornice pokazuje povjerenje u skaliranje tehnologije i pojavu potražnje za njom. To je također veliki signal za industriju baterija i investitore da je litij-sumpor blizu spremnosti za široku upotrebu. Uskoro bismo mogli vidjeti proizvode s oznakom “Li-S baterija unutra”, barem u vrhunskim ili specijaliziranim primjenama, kao rezultat ovoga.
• Ožujak 2025. – Theion prikuplja sredstva, tvrdi 3× veću energiju: U ožujku 2025. Reuters je izvijestio da je Theion prikupio 15 milijuna eura za povećanje proizvodnje svoje sumporne baterije, koja “pohranjuje više energije, ali košta znatno manje od konvencionalnih litij-ionskih baterija.” reuters.com Theion je javno otkrio dio svoje tehničke strategije, navodeći da njihove ćelije imaju tri puta veću energetsku gustoću od Li-ion, uz trećinu troška i trećinu CO₂ emisija, kao što je ranije spomenuto reuters.com. Riješili su glavne izazove navodeći da izbjegavaju brzu koroziju korištenjem kristalnog sumpora i rješavaju širenje prethodnim proširivanjem strukture katode reuters.com. Sredstva će im pomoći da prijeđu s kovanih ćelija na veće pouch ćelije (prikladne za električna vozila ili zrakoplove) reuters.com. Ovaj razvoj podsjeća da ne samo jedan nego nekoliko startupa (Lyten, Theion, drugi) postižu prekretnice i privlače ulaganja, čime se povećavaju izgledi da će barem jedan uspjeti komercijalno. To pomalo podsjeća na rane dane litij-ionskih baterija, kada su se brojne tvrtke i zemlje natjecale – ovdje imamo američke i europske tvrtke koje istovremeno guraju sumporne baterije.
• 2023. – 2024. – Rješavanje životne zagonetke sumpornog ciklusa: Tijekom 2023. i početkom 2024. godine, više istraživačkih grupa objavilo je napredak u produljenju životnog vijeka sumpornih baterija. Jedan od istaknutih primjera je studija koju je vodio Argonne (objavljena u kolovozu 2022. u časopisu Nature Communications) koja je pokazala da redoks-aktivni međusloj može dramatično poboljšati stabilnost Li-S baterija anl.gov. Početkom 2023. izvijestili su da ovaj pristup daje ćelije koje održavaju visok kapacitet kroz stotine ciklusa anl.gov, čime se Li-S približava upotrebljivosti u svakodnevnom životu. Sredinom 2024. drugi tim je izvijestio o sklopivoj, fleksibilnoj Li-S bateriji koja koristi posebnu katodu od željeznog sulfida i može izdržati čak i rezanje bez otkaza acs.org – novo rješenje za nosivu ili fleksibilnu elektroniku s Li-S baterijama. Ove inkrementalne inovacije su važne: rješavaju konkretne probleme (poput upravljanja polisulfidima, mehaničkih naprezanja itd.) jedan po jedan. Svako poboljšanje približava Li-S ćelije ispunjavanju strogih zahtjeva komercijalne elektronike i vozila.
• 2024. – Nagli porast istraživanja aluminijskih baterija: Na strani aluminija, kraj 2024. donio je također zanimljiva istraživanja. Znanstvenici su istraživali nove katodne materijale za aluminij-ionske baterije, poput kobalt sulfida, kako bi postigli veći kapacitet i bolje razumijevanje mehanizama pohrane naboja nature.com. Sve je više radova o “multivalentnim” baterijama (uključujući Al, Mg, Zn) koje često dijele izazove i proboje – primjerice, poboljšani elektroliti koji pomažu jednom sustavu ponekad se mogu primijeniti i na drugi advanced.onlinelibrary.wiley.com. Također vidimo da zemlje poput Indije ulažu u tehnologiju aluminijskih baterija, ne samo kroz Phinergyjeve aluminij-zrak baterije, već i kroz akademska istraživanja za stvaranje punjive aluminijske baterije prikladne za indijske uvjete (vlada financira projekte u sklopu svoje nacionalne misije za skladištenje energije). Iako to još nije dospjelo na svjetske naslovnice, doprinosi zamahu koji se stvara oko aluminijskih baterija diljem svijeta.
• Signali politike i tržišta: Priče o proboju nisu samo tehničke. U 2024.–2025. svjedočimo snažnim tržišnim signalima koji podupiru ove nove baterije. Američki Zakon o smanjenju inflacije (IRA) i druge politike potiču domaće lance opskrbe baterijama – što pogoduje kemijama koje se mogu proizvoditi s lokalno dostupnim materijalima poput sumpora (SAD proizvodi mnogo sumpora iz rafiniranja nafte) i aluminija. Lytenova gigatvornica u Nevadi i interes američkog Ministarstva obrane za lagane Li-S baterije za vojnike ili satelite rezultat su tih poticaja lyten.com. U Europi, poticaj za održivost čini baterije bez kobalta i nikla vrlo privlačnima, stoga EU financira projekte poput Theiona i drugih. Čak i u Kini, gdje dominira proizvodnja litij-ionskih baterija, postoje državni programi za “baterije nove generacije” (na primjer, CATL navodno radi na natrij-ionskoj + sumpornoj hibridnoj bateriji za lansiranje oko 2023./24. u stacionarnim sustavima pohrane). Svi ovi trendovi ukazuju da je pravo vrijeme za aluminijske i sumporne baterije – svijet traži rješenja, a tehnologija ih sustiže.

U suštini, posljednje dvije godine transformirale su aluminijske i sumporne baterije iz nišne laboratorijske znatiželje u ozbiljne kandidate za budućnost pohrane energije. Kako je jedan znanstvenik prikladno rekao, “Jedan smo korak bliže da ovu tehnologiju vidimo u svakodnevnom životu.” anl.gov Taj napredak korak po korak upravo se sada događa, a sljedeći korak bit će šira komercijalizacija i povećanje razmjera ovih inovacija.

Potencijalne primjene i utjecaj na čistu energiju i električna vozila

Uspon aluminijskih i sumpornih baterija mogao bi utjecati na širok raspon sektora. Evo nekih od najperspektivnijih primjena i njihovih implikacija:

• 🏠 Skladištenje obnovljive energije (mreža i kućanstva): Možda će najveći kratkoročni utjecaj biti u stacionarnom skladištenju energije za čistu energiju. Jedan od glavnih izazova obnovljivih izvora energije (solarna, vjetar) je povremenost – sunce i vjetar nisu dostupni 24/7, pa su nam potrebne masivne, ekonomične baterije za pohranu energije kada oni ne proizvode. Litij-ionske baterije počele su se koristiti za skladištenje na mreži, ali su još uvijek relativno skupe i ovise o uvoznim materijalima. Aluminij-sumporne i natrij-sumporne baterije, sa svojim izuzetno jeftinim komponentama, mogle bi drastično smanjiti trošak pohrane kilovatsata. Sadoway s MIT-a posebno je ciljao na kućnu i susjedsku razinu sa svojom Al-S baterijom – “veličina potrebna za napajanje jednog kućanstva ili malog do srednjeg poduzeća” (reda veličine desetaka kWh) news.mit.edu. Takve baterije omogućile bi vlasnicima kuća s krovnim solarnim panelima da jeftino pohrane energiju proizvedenu danju za noćnu upotrebu, ili malim poduzećima da imaju rezervno napajanje bez dizel generatora. U većim razmjerima, komunalna poduzeća mogla bi postaviti ogromne banke aluminijskih ili natrij-sumpornih baterija za izravnavanje proizvodnje iz obnovljivih izvora. Tim sa Sveučilišta u Sydneyu istaknuo je da bi njihova niskobudžetna Na-S baterija mogla “značajno smanjiti trošak tranzicije prema dekarboniziranom gospodarstvu” pružajući pristupačno skladištenje sydney.edu.au. Na mjestima gdje nema geografskih uvjeta za skladištenje pomoću pumpnih hidroelektrana, ova elektrokemijska rješenja su ključna. Dodatno, budući da su ove nove baterije nezapaljive (važno za sigurnost zajednice) i koriste obilne materijale, mogu se proizvoditi i instalirati lokalno u mnogim regijama – čime se povećava energetska sigurnost. Općenito, široka primjena aluminij/sumpor stacionarnih baterija omogućila bi veći udio obnovljive energije, smanjila ograničenja (gubitak solarne/vjetro energije zbog nedostatka skladišta) i pomogla stabilizirati mrežu čistom, raspoloživom energijom.
• 🚗 Električna vozila (EV): Lakše i baterije veće energetske gustoće su sveti gral za EV-ove, pa čak i električnu avijaciju. Litij-sumporne baterije su ovdje posebno privlačne. Li-S paket bi mogao dramatično produžiti doseg vožnje EV-a bez povećanja težine – ili, obrnuto, omogućiti isti doseg s puno lakšom baterijom, čime se poboljšava učinkovitost. Na primjer, ako EV danas treba 600 kg Li-ion bateriju za doseg od 300 milja, Li-S baterija s dvostruko većom energetskom gustoćom mogla bi to postići s otprilike 300 kg, značajno smanjujući težinu vozila. To poboljšava ubrzanje, upravljivost i smanjuje potrošnju energije po milji. Također bi moglo učiniti električne kamione i autobuse održivijima oslobađanjem nosivosti. Tvrtke poput Oxis Energy (prije zatvaranja) i Sion Power surađivale su s partnerima iz zrakoplovne i automobilske industrije na Li-S prototipnim paketima za zrakoplove dugog dometa i EV-ove. Zapravo, ranije Li-S ćelije Sion Powera napajale su High Altitude Pseudo-Satellite (bespilotni solarni avion) koji je oborio rekorde trajanja leta 2010-ih. Nedavno su NASA i Airbus razmatrali Li-S kao jedan od rijetkih načina za postizanje potrebnih 500 Wh/kg za praktične električne putničke avione businessaviation.aero – uspjeh njihovog SABERS projekta nagovještava regionalne električne zrakoplove na horizontu koji koriste sumporne baterije. Električni leteći taksiji i dronovi također bi imali koristi; Theion je izričito spomenuo leteća vozila kao cilj reuters.com. Osim Li-S, čak i aluminij-zrak baterije imaju ulogu u EV-ovima: mogle bi služiti kao modul za produženje dosega koji aktivirate za duža putovanja. Zamislite EV s malom Li-ion baterijom za svakodnevnu vožnju i aluminij-zrak “pomoćnom baterijom” koju dopunjavate (zamjenom aluminija) samo kad 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-ovi neće preko noći prijeći na potpuno novu kemiju – sigurnost, dugovječnost i brzo punjenje moraju biti dokazani – ali krajem 2020-ih je vjerojatno da bi vrhunski modeli ili vozila za posebne namjene mogli dolaziti s baterijama nove generacije. Ako se to dogodi, moglo bi podići performanse EV-ova na novu razinu (dosezi 500+ milja, vrlo brzo punjenje, lakši automobili) i smanjiti ovisnost o kritičnim mineralima, čime bi se omogućilo šire prihvaćanje EV-ova bez uskih grla u resursima.
• 📱 Prijenosna elektronika i nosivi uređaji: Vaš budući pametni telefon ili laptop također bi mogli imati koristi od baterija na bazi sumpora ili aluminija, iako ove primjene zahtijevaju dug vijek trajanja i nisko samopražnjenje (područja u kojima Li-ion trenutno briljira). Litij-sumporna baterija mogla bi omogućiti vašem telefonu da radi danima između punjenja – prisjetite se koncepta Sveučilišta Monash o telefonu koji traje 5 dana na Li-S bateriji advancedsciencenews.com. Ušteda na težini je manje važna za telefon, ali gustoća energije je ključna. Jedan od izazova je što potrošačka elektronika očekuje stotine ciklusa i godine kalendarskog vijeka; Li-S će trebati dodatno usavršavanje da to postigne. Ipak, mogli bismo vidjeti nišne uređaje ili nosive uređaje koji ih usvajaju ako nude prednosti u obliku. Aluminijske baterije, posebno fleksibilni dizajni poput onih sa Stanforda, mogle bi omogućiti preklopive ili savitljive uređaje. Na primjer, aluminij-ionska baterija koja je fleksibilna mogla bi biti integrirana u remen pametnog sata ili u pametnu odjeću. Također, budući da se Al-ion može učiniti vrlo sigurnim (bez rizika od požara), mogli bi se ugraditi u uređaje bez glomaznih zaštitnih kućišta, možda čak omogućujući kreativniji industrijski dizajn. Ovo su spekulacije, ali kako se proizvodnja poboljšava, potrošačka elektronika bi mogla postati važno tržište (ipak, bila je to i za početni rast litij-ionskih baterija 1990-ih).
• ⚡ Infrastruktura za brzo punjenje: Jedna manje očita, ali važna primjena je korištenje ovih novih baterija za omogućavanje brzog punjenja električnih vozila i stabilizaciju mreže. Kao što je profesor Sadoway istaknuo, ako mnogo električnih vozila pokuša puniti istovremeno (poput više automobila na odmorištu uz autocestu), potražnja za energijom naglo raste iznad onoga što električna mreža može lako isporučiti news.mit.edu. Umjesto nadogradnje dalekovoda, pametnije je instalirati baterijski međuspremnik na stanicama za punjenje – baterija se polako puni iz mreže, a zatim brzo isporučuje energiju automobilima kada je potrebno. Za takve međuspremničke baterije, cijena i sigurnost su najvažniji, a težina je manje bitna. To aluminij-sumporne ili natrij-sumporne baterije čini idealnim kandidatima. One stoje na licu mjesta, pohranjuju energiju jeftino, ne mogu se zapaliti i mogu brzo otpustiti naboj. Sadoway je posebno spomenuo da bi Al-S sustavi mogli “eliminirati potrebu za instalacijom skupih novih dalekovoda” za skupine brzih punjača news.mit.edu. U suštini, ove baterije mogu djelovati kao amortizeri za električnu mrežu, upijajući višak energije i otpuštajući je po potrebi, bilo za iznenadne potrebe punjenja električnih vozila ili za uravnoteženje fluktuacija u proizvodnji iz obnovljivih izvora.
• 🏭 Industrijska i komercijalna rezervna energija: Kao što telekomunikacijski tornjevi koriste aluminij-zrak za rezervno napajanje, druge industrije i komercijalni objekti mogli bi koristiti aluminijske ili sumporne baterije za osiguranje pouzdanosti i smanjenje ovisnosti o dizelskim agregatima. Na primjer, podatkovni centri traže baterije koje su sigurne, imaju dug vijek trajanja u stanju pripravnosti i isplative su u velikim razmjerima – može se zamisliti prostorije sa natrij-sumpornim baterijama koje zamjenjuju banke litij-ionskih ili olovno-kiselinskih baterija koje se trenutno koriste za UPS (neprekidno napajanje). Na udaljenim ili izvanmrežnim lokacijama, jeftine baterije koje ne zahtijevaju čestu zamjenu izuzetno su vrijedne (manje servisnih odlazaka). Aluminij-sumporne baterije, koje se predviđaju kao vrlo niske cijene po kWh, mogle bi omogućiti mikromreže u ruralnim ili otočnim zajednicama, u kombinaciji sa solarnom/energijom vjetra, za pružanje 24/7 napajanja bez velikih troškova.
• 🚀 Zrakoplovstvo i obrana: Visoke performanse ovih baterija prirodno su privlačne za primjenu u zrakoplovstvu i obrani. Kao što je navedeno, sateliti i dronovi na velikim visinama (pseudo-sateliti) uspješno koriste Li-S zbog male mase i dobrih performansi na niskim temperaturama (baterije u svemiru često rade na hladnoći). Američka vojska je zainteresirana za lakše baterije za vojnike (kako bi se smanjilo opterećenje nošenja više kilograma Li-ion baterija) – sumporna baterija bi mogla značajno olakšati taj teret. Osim toga, budući da sumporne baterije nemaju spojeve koji otpuštaju kisik (za razliku od Li-ion koji može otpustiti O₂ u slučaju termalnog bijega), mogle bi biti sigurnije u zatvorenim prostorima poput podmornica ili svemirskih letjelica. Aluminij-zrak mogao bi služiti kao podvodni izvor energije za bespilotne podmornice s dugim trajanjem, gdje je nadopunjavanje aluminijem izvedivo. Obrambeni sektor često djeluje kao rani korisnik vrhunske tehnologije koja kasnije postaje široko dostupna, pa njihova ulaganja u tehnologiju aluminijskih i sumpornih baterija mogu ubrzati razvoj. Zapravo, Lytenovi početni angažmani u 2024.–25. s svemirskim, dronskim i obrambenim tržištima nagovještavaju da obrambeni ugovori pomažu dokazati tehnologiju lyten.com prije šire potrošačke upotrebe.

U svim ovim primjenama, opći učinak je omogućavanje tranzicije na čistu energiju da ide brže i dalje. Smanjenjem troškova baterija i oslobađanjem od ograničenja opskrbnog lanca litij-ionskih baterija, aluminijske i sumporne baterije mogle bi električna vozila učiniti pristupačnijima većem broju ljudi (ključno za dekarbonizaciju prometa), učiniti obnovljivu energiju pouzdanijom i raširenijom (ključno za dekarbonizaciju električne energije), pa čak i stvoriti nove mogućnosti poput električnog letenja. Također donose ekološke koristi u upotrebi: npr. zamjena dizelskih rezervnih generatora aluminij-zrak ili natrij-sumpornim baterijama smanjuje lokalno zagađenje zraka i emisije CO₂. Ako tehnologija ispuni svoja obećanja, svijet bi mogao vidjeti jeftinije električne automobile, otpornije čiste mreže i smanjenje iskopavanja rijetkih metala – pozitivan povratni učinak i za gospodarstvo i za okoliš.

Ekonomske i ekološke implikacije

S gospodarskog gledišta, aluminijske i sumporne baterije mogle bi biti disruptivne na najbolji mogući način: snižavanjem troškova skladištenja energije i diverzifikacijom opskrbnog lanca. Baterija čini značajan dio troška električnog vozila ili sustava obnovljive energije, pa jeftinije baterije znače jeftinije proizvode i brže usvajanje. Analitičari su primijetili da materijali poput aluminija i sumpora koštaju tek djelić cijene litija, nikla ili kobalta. Na primjer, jedna procjena stavlja trošak materijala za aluminij-sumpor ćelije na samo ~15% ekvivalentne litij-ionske ćelije news.mit.edu. Ako se te uštede prenesu na proizvodnju, mogli bismo vidjeti da cijene baterija (po kWh) padaju znatno ispod trenutne litij-ionske krivulje učenja. Jeftino skladištenje tada bi moglo poticati gospodarski rast omogućujući nove poslovne modele (poput više solarnih farmi, projekata zajedničkog skladištenja itd.) i smanjenjem troškova energije za potrošače (zamislite da punite kućnu bateriju svakog poslijepodneva solarnom energijom i nikad ne plaćate vršne cijene struje).

Tu je i geopolitički aspekt: Proizvodnja litij-ionskih baterija danas je snažno koncentrirana (Kina dominira proizvodnjom ćelija, a zemlje poput DRC-a opskrbljuju ključne minerale). Aluminij se, međutim, tali diljem svijeta (a recikliranje također pruža lokalni izvor), a sumpor je sveprisutan. Mnoge zemlje koje nemaju izvore litija imaju snažnu aluminijsku industriju (npr. Indija, kao što smo vidjeli s IOC Phinergy). Dakle, baterije na bazi aluminija mogle bi omogućiti više država da izgrade domaću industriju baterija bez oslanjanja na uvozni litij ili kobalt. Ova diverzifikacija mogla bi smanjiti globalne rizike opskrbnog lanca i učiniti prijelaz na električnu mobilnost i obnovljivu energiju otpornijim na nestašice ili političku nestabilnost. U Nevadi, planirana Lyten tvornica je primjer – korištenje sumpora iz SAD-a i domaća montaža baterija lyten.com usklađeni su s politikama vraćanja proizvodnje baterija u zemlju i stvaranja lokalnih radnih mjesta (predviđaju 1.000 radnih mjesta na punom kapacitetu u toj jednoj tvornici lyten.com).

S ekološke strane, ove baterije nude višestruke prednosti:

• Niži ugljični otisak: Proizvodnja baterija je energetski intenzivna, ali baterije od sumpora i aluminija mogu se izrađivati s manje egzotične obrade. Rafinerija kobalta i nikla posebno je teška za ugljik. Izbacivanjem tih materijala, proizvođači mogu smanjiti emisije CO₂ po kWh baterije. Theion je tvrdio da su njihove sumporne baterije imale 2/3 manji ugljični otisak u odnosu na Li-ion reuters.com. Također, sumpor se može dobiti kao otpadni proizvod (praktički bez dodatnog ugljičnog troška za njegovo dobivanje), a recikliranje aluminija koristi samo ~5% energije potrebne za primarnu proizvodnju aluminija – pa bi korištenje recikliranog aluminija u baterijama znatno smanjilo njihovu ugrađenu energiju.
• Recikliranje i kraj životnog vijeka: Aluminij je već jedan od najviše recikliranih materijala (pomislite na aluminijske limenke). Postoji infrastruktura za topljenje otpadnog aluminija i njegovu ponovnu upotrebu. Ako aluminij-metal baterije postanu uobičajene, može se zamisliti da se potrošene aluminijske anode rutinski prikupljaju i recikliraju s visokom učinkovitošću – kružna ekonomija za baterijski metal. Sumpor, u kontekstu baterija, može biti teže izravno reciklirati iz ćelija (posebno ako je vezan u spojeve), ali budući da je jeftin i netoksičan, čak i ako završi na odlagalištu, nije tako velika ekološka opasnost kao, recimo, olovo ili kadmij u starijim baterijama. Istraživači bi mogli pronaći načine za povrat sumpora ili pretvaranje otpadnog sumpora iz baterija u korisne kemikalije (sumpor se, primjerice, koristi i u gnojivima). Nedostatak teških metala u ovim baterijama znači manje toksičnog elektroničkog otpada ako se nepropisno odlažu, i idealno lakše rukovanje u reciklažnim postrojenjima.
• Smanjen utjecaj rudarenja: Iskopavanje litija, kobalta i nikla ima značajne ekološke i društvene posljedice – od korištenja vode pri ekstrakciji litijeve slane otopine, do uništavanja staništa i zagađenja oko rudnika nikla, do problema dječjeg rada u nekim rudnicima kobalta. Smanjenjem ili eliminacijom potrebe za tim materijalima, aluminijske i sumporne baterije mogle bi ublažiti te pritiske. Aluminij nije bez utjecaja (rudarenje boksita i taljenje aluminija imaju svoje probleme poput otpada crvenog mulja i velike potrošnje električne energije), ali ti su procesi dobro regulirani u mnogim zemljama i tehnologija napreduje (npr. inertne anode za taljenje aluminija radi smanjenja emisija). I opet, recikliranje aluminija znatno smanjuje potrebu za novim rudarenjem. Korištenje sumpora uglavnom se odnosi na prenamjenu postojećeg nusproizvoda – to bi zapravo moglo riješiti problem (velike zalihe sumpora) umjesto da ga stvori.
• Sigurnost i zdravlje: Požari baterija predstavljaju problem kod litij-ionskih baterija, jer izgaranje Li-ion baterija oslobađa toksične pare i može uzrokovati požare koje je teško ugasiti (kao što su pokazali neki incidenti s požarima električnih vozila). Nezapaljive baterije znače manje požara, što je sigurnosna prednost za društvo. To također znači sigurnije rukovanje baterijama tijekom transporta i u otpadnim dvorištima. Na primjer, rashodovana električna vozila s Li-ion paketima predstavljaju rizik od požara ako su oštećena; električno vozilo s aluminij-sumpor paketom moglo bi biti mnogo sigurnije za rastavljanje. Isto vrijedi i za potrošačke uređaje – manje uređaja koji eksplodiraju ili se zapale (misleći na zloglasne požare baterija u telefonima) korisno je za javno zdravlje i povjerenje u baterijsku tehnologiju.
• Čista rezervna energija: Na mjestima koja se trenutno oslanjaju na dizel generatore za rezervno ili udaljeno napajanje (otoci, skloništa u nuždi, telekomunikacijski tornjevi), zamjena tih generatora aluminij-zrak ili natrij-sumpor baterijama eliminira izgaranje dizelskog goriva, što znači bez emisija stakleničkih plinova, bez čestica zagađenja i bez buke. Ovo je izravno poboljšanje za okoliš i kvalitetu života. Na primjer, telekom tornjevi koji rade na aluminij-zrak u Indiji neće proizvoditi lokalne emisije, dok dizel generatori doprinose zagađenju zraka i emisijama ugljika.

Sve u svemu, aluminijske i sumporne baterije imaju potencijal demokratizirati skladištenje energije – učiniti ga dovoljno pristupačnim i ekološki prihvatljivim da možemo postaviti baterije svugdje gdje su nam potrebne za omogućavanje čiste energetske budućnosti. Neće biti univerzalno rješenje (vjerojatno ćemo koristiti mješavinu baterijskih tehnologija), ali njihov ulazak na tržište može sniziti troškove i natjerati sve proizvođače baterija da poboljšaju održivost.

Naravno, ekonomski uspjeh ovih baterija nije zajamčen; moraju dokazati da se mogu proizvoditi jeftino i pouzdano raditi u velikim razmjerima. No, nedavne investicije i uspjesi prototipova vrlo su ohrabrujući. Ako uspiju, dobitak nije samo jeftiniji električni automobili ili bolji uređaji – već i značajno smanjenje utjecaja naših baterija na okoliš i poticaj globalnim naporima za dekarbonizaciju.

Zaključak: Svijetla budućnost napajana uobičajenim elementima

Baterije na aluminij i sumpor, nekad smatrane autsajderima među tehnologijama, brzo se približavaju komercijalnoj stvarnosti. Ove baterije utjelovljuju privlačnu ideju: koristiti jednostavne, obilne sastojke za rješavanje složenih energetskih problema. U posljednjih nekoliko godina, napredak u kemiji i znanosti o materijalima tu je ideju znatno približio ostvarenju. Danas imamo prototipove aluminij-sumpor ćelija koje se mogu brzo napuniti u nekoliko minuta i izdržati tisuće ciklusa nature.com, litij-sumpor baterije koje postižu gustoće energije o kojima se prije deset godina samo sanjalo reuters.com, pa čak i aluminij-zrak sustave koji već u stvarnim uvjetima isporučuju čistu energiju evreporter.com.

Odlazak od ovisnosti o rijetkim metalima i skupim uvoznim sirovinama prema baterijama izrađenim od “jeftinih” elemenata poput Al i S mogao bi preoblikovati industriju baterija kao što je silicij preoblikovao industriju elektronike – omogućujući masovnu proizvodnju i smanjenje troškova. Kako je Sadoway u šali rekao, ove nove baterije imaju “sve što biste poželjeli da baterija ima: jeftine elektrode, dobru sigurnost, brzo punjenje, fleksibilnost i dug vijek trajanja” news.stanford.edu. Još uvijek postoje problemi koje treba riješiti, ali smjer je jasan.

U nadolazećim godinama možemo očekivati vijesti o pilot-projektima (možda solarna farma u Kaliforniji koja koristi MIT-ove aluminij-sumpor ćelije, ili dron na Lyten Li-S bateriji koji postavlja rekorde izdržljivosti). Kako proizvodnja bude rasla, troškovi bi trebali dodatno padati, a preostale tehničke prepreke – bilo da se radi o vijeku trajanja ili radnoj temperaturi – vjerojatno će biti riješene intenzivnim istraživanjima koja se trenutno provode diljem svijeta.

Za širu javnost, utjecaj bi se mogao osjetiti na suptilne, ali važne načine: električno vozilo koje je jeftinije i ima veći doseg, pametni telefon koji ostaje napunjen cijeli produženi vikend, susjedstvo koje ima svjetlo zahvaljujući bateriji kad oluja sruši mrežu, uz spoznaju da je sve to omogućeno materijalima običnima poput aluminijske folije i gnojiva za vrt (sumpor). Svjetska potražnja za baterijama samo raste, a tehnologije na aluminij i sumpor jamče da tu potražnju možemo zadovoljiti na održiv način.

Kao što je jedan znanstvenik uključen u razvoj ovih baterija optimistično izjavio, “Ovi rezultati pokazuju … ogroman utjecaj na razvoj [baterija]. Jedan smo korak bliže tome da ovu tehnologiju vidimo u svakodnevnom životu.” anl.gov Doista, budućnost u kojoj su naši životi pokretani aluminijem i sumporom – dvama od najneupadljivijih elemenata na Zemlji – sada je vidljivo na horizontu. Revolucija u skladištenju energije je u tijeku, a gradi se na temeljima uobičajene kemije, inovativnog inženjerstva i hitne potrebe za čišćom, jeftinijom energetskom budućnošću.

Izvori: Informacije i citati u ovom izvješću preuzeti su iz nedavnih vjerodostojnih izvora, uključujući recenzirane studije, sveučilišna priopćenja za javnost, industrijske vijesti i Reutersova izvješća. Ključne reference uključuju MIT News o aluminij-sumpor bateriji news.mit.edu, proboje Argonne National Lab-a u litij-sumpor anl.gov, Reutersovo izvještavanje o razvoju tvrtki Theion i Lyten reuters.com, lyten.com, i intervjue s industrijskim liderima (npr. izvršni direktor Phinergyja o prednostima aluminij-zrak baterija evreporter.com). Ove i druge reference kroz tekst pružaju detaljne dokaze koji podupiru iznesene tvrdnje.