Zejdź z drogi, litu: Baterie aluminiowe i siarkowe wywołują rewolucję energetyczną

W styczniu 2024 roku w czasopiśmie Nature Communications opublikowano badanie dotyczące baterii aluminiowo-siarkowej działającej w temperaturze 85 °C z użyciem stopionego elektrolitu chloroaluminianowego, która zachowała 85,4% swojej pojemności po 1400 cyklach przy 1C.
Prototyp baterii aluminiowo-jonowej z Uniwersytetu Stanforda z 2015 roku wykorzystywał anodę aluminiową i katodę grafitową, umożliwiając ultraszybkie ładowanie (około jednej minuty) i ponad 7500 cykli przy napięciu około 2 V.
W 2014 roku firma Phinergy zaprezentowała samochód, który mógł przejechać około 1800 km, korzystając z baterii aluminiowo-powietrznych.
Baterie aluminiowo-powietrzne oferują około trzykrotnie większą gęstość energii na jednostkę masy niż baterie litowo-jonowe.
W styczniu 2023 roku Argonne National Laboratory zaprezentowało ogniwa Li–S z warstwą pośrednią aktywną redoks, która niemal całkowicie wyeliminowała efekt shuttle i umożliwiła ponad 700 cykli.
Ogniwa litowo-siarkowe wykazały w laboratoriach gęstość energii na poziomie około 400–500 Wh/kg, a projekt SABERS NASA dąży do osiągnięcia około 500 Wh/kg dla lotnictwa elektrycznego.
W sierpniu 2022 roku Donald Sadoway z MIT zaprezentował baterię aluminiowo-siarkową z anodą aluminiową i katodą siarkową, wykorzystującą elektrolity na bazie stopionych soli, co umożliwia niskokosztową i bezpieczną eksploatację.
W październiku 2024 roku firma Lyten ogłosiła plany budowy pierwszej na świecie gigafabryki baterii Li–S w Nevadzie, z celem osiągnięcia 10 GWh/rok do 2027 roku.
W marcu 2025 roku Theion pozyskał 15 milionów euro na skalowanie ogniw litowo-siarkowych z krystaliczną siarką, deklarując trzykrotnie większą gęstość energii niż Li-ion, jedną trzecią kosztów i jedną trzecią emisji CO₂, z planami przejścia z ogniw guzikowych na większe ogniwa typu pouch.
W 2023 roku Phinergy i Indian Oil Corporation zaprezentowały pierwszy w Indiach pojazd zasilany baterią aluminiowo-powietrzną, sygnalizując potencjał wdrożenia na rynku.

Wyobraź sobie baterie wykonane ze zwykłej folii aluminiowej i proszku siarkowego, zasilające wszystko – od domów po samochody elektryczne – za ułamek dzisiejszych kosztów. Baterie oparte na aluminium i siarce wyłaniają się jako obiecujące alternatywy dla tradycyjnych ogniw litowo-jonowych, oferując kuszącą perspektywę tańszego, bezpieczniejszego i bardziej zrównoważonego magazynowania energii. W tym raporcie zagłębiamy się w to, czym są baterie aluminiowe i siarkowe, jak działają, jakie typy są obecnie rozwijane (w tym ekscytujące połączenie aluminium i siarki), ich zalety i wyzwania, kluczowych graczy napędzających przełomy oraz jak najnowsze innowacje z lat 2024–2025 mogą zrewolucjonizować czystą energię i pojazdy elektryczne. (Wszystkie źródła są cytowane dla wiarygodności.)

Czym są baterie aluminiowe i siarkowe?

Baterie aluminiowe i baterie siarkowe to dwie szerokie rodziny nowej generacji technologii akumulatorów wielokrotnego ładowania, które mają na celu przezwyciężenie ograniczeń dzisiejszych baterii litowo-jonowych. Mówiąc najprościej, wykorzystują one aluminium lub siarkę (lub oba te pierwiastki) w swoich reakcjach elektrochemicznych, zamiast polegać wyłącznie na chemii opartej na litu. Podobnie jak każda bateria, składają się z trzech głównych części – elektrody dodatniej (katody), elektrody ujemnej (anody) oraz elektrolitu pomiędzy nimi, który transportuje jony podczas ładowania i rozładowywania. Kluczową różnicą jest chemia: w bateriach aluminiowych metaliczne aluminium często pełni rolę anody (a w niektórych konstrukcjach dostarcza jony przenoszące ładunek), natomiast w bateriach siarkowych pierwiastek siarka zwykle pełni rolę materiału katodowego, przyjmując jony z metalicznej anody (takiej jak lit lub sód).

Dlaczego badać aluminium lub siarkę? Oba pierwiastki są niezwykle obfite i tanie w porównaniu do litu i kobaltu używanych w ogniwach litowo-jonowych. Aluminium jest najobficiej występującym metalem w skorupie ziemskiej i ma bardzo wysoką teoretyczną pojemność magazynowania ładunku (każdy atom Al może oddać 3 elektrony, co daje pojemność ładunkową 2,98 Ah na gram, co jest ogromne) nature.com. Siarka jest jednym z najtańszych niemetalicznych pierwiastków (często jako produkt uboczny rafinacji ropy naftowej) i może wiązać dwa jony litu na atom, co umożliwia bardzo wysoką potencjalną pojemność magazynowania energii nature.com, anl.gov. Zasadniczo, baterie wykorzystujące aluminium lub siarkę mogłyby magazynować więcej energii przy danej masie i kosztować znacznie mniej niż dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe. Jak wyjaśniają badacze z Argonne National Laboratory, „Siarka jest niezwykle obfita i opłacalna oraz może magazynować więcej energii niż tradycyjne baterie jonowe.” anl.gov Podobnie, aluminium jest tanie, szeroko dostępne i gęsto magazynuje ładunek zarówno wagowo, jak i objętościowonature.com.

Kolejnym ważnym motywatorem jest bezpieczeństwo i zrównoważony rozwój. Akumulatory litowo-jonowe wykorzystują łatwopalne organiczne elektrolity ciekłe i często wymagają rzadkich metali (takich jak kobalt, nikiel, lit), co rodzi problemy z łańcuchem dostaw i kwestie etyczne. Natomiast wiele projektów baterii aluminiowych i siarkowych może wykorzystywać niepalne elektrolity (takie jak ciecze jonowe lub sole stopione) i unikać minerałów konfliktowych. Na przykład, niedawny projekt baterii litowo-siarkowej wykorzystuje wyłącznie „powszechnie dostępne lokalne materiały, eliminując potrzebę wydobywanych minerałów, takich jak nikiel, kobalt, mangan i grafit”, według startupu Lyten lyten.com. Profesor MIT Donald Sadoway – czołowy innowator w dziedzinie baterii – celowo poszukuje „tanie, powszechnie występujące na Ziemi” składniki, aby wynaleźć coś „znacznie lepszego niż litowo-jonowe”, wybierając aluminium na anodę i siarkę na katodę w swojej najnowszej chemii baterii news.mit.edu.

Krótko mówiąc, baterie aluminiowe i siarkowe to próba stworzenia tańszej, bezpieczniejszej i bardziej etycznej baterii poprzez wykorzystanie pierwiastków, które są powszechne (brak globalnych niedoborów), tanie i z natury mają dużą pojemność. Teraz przyjrzyjmy się, jak te baterie działają w praktyce i jakie typy są obecnie rozwijane.

Jak to działa? (Podstawy baterii w prostym języku)

Baterie na bazie aluminium zazwyczaj wykorzystują metaliczne aluminium jako anodę. Gdy bateria się rozładowuje, metaliczne aluminium oddaje elektrony (wytwarzając prąd elektryczny) oraz jony aluminium (Al³⁺), które przemieszczają się przez elektrolit do katody. W zależności od typu baterii, te jony aluminium albo interkalują (wstawiają się) w materiał katody, albo z nim reagują. Na przykład w baterii aluminiowo-jonowej jony Al³⁺ przemieszczają się do warstwowej katody (takiej jak grafit lub tlenek metalu) i z powrotem podczas ładowania news.stanford.edu. W baterii aluminiowo-siarkowej jony aluminium reagują z siarką w katodzie, tworząc związki aluminium z siarką podczas rozładowania, a następnie wracają do postaci metalicznego aluminium podczas ładowania nature.com. Natomiast w bateriach aluminiowo-powietrznych metaliczne aluminium reaguje z tlenem z powietrza na specjalnej katodzie, wytwarzając tlenek lub wodorotlenek aluminium – reakcja ta uwalnia energię elektryczną, aż do zużycia anody aluminiowej.

Baterie na bazie siarki zazwyczaj wykorzystują katodę z siarki w połączeniu z anodą metaliczną (najczęściej litową, ale można użyć także sodu, magnezu czy aluminium). Na przykładzie baterii litowo-siarkowej (Li-S): podczas rozładowania atomy litu w anodzie oddają elektrony i stają się jonami litu (Li⁺), które przemieszczają się przez elektrolit do katody z siarki. Tam siarka (cząsteczki S₈) przekształca się w siarczek litu (Li₂S) poprzez wchłanianie jonów litu – innymi słowy, siarka pochłania jony litu i elektrony, tworząc nowe związki i magazynując energię w wiązaniach chemicznych. Podczas ładowania proces ten się odwraca: jony litu opuszczają siarkę i wracają do anody, a siarka się regeneruje. Ponieważ każdy atom siarki może wiązać dwa atomy litu, a pierścienie S₈ mogą rozpadać się na różne cząsteczki poli-siarkowe litu, baterie Li-S mogą teoretycznie magazynować 3–5 razy więcej energii na jednostkę masy niż Li-ion. Baterie sodowo-siarkowe (Na-S) działają analogicznie z jonami sodu i zazwyczaj tworzą polisulfidy sodu lub siarczek sodu.

We wszystkich tych bateriach jony przemieszczają się tam i z powrotem przez elektrolit, podczas gdy elektrony płyną przez zewnętrzny obwód – tak właśnie bateria się ładuje i rozładowuje. Elektrolit może być cieczą, żelem lub ciałem stałym, który umożliwia ruch jonów, ale zmusza elektrony do przepływu przez obwód (co zasila Twoje urządzenie). Co ważne, niektóre z tych nowych technologii wymagają specjalnych elektrolitów do działania. Baterie aluminiowo-jonowe często opierają się na elektrolitach z cieczy jonowych lub stopionych soli, ponieważ jony Al³⁺ silnie oddziałują z typowymi rozpuszczalnikami. W rzeczywistości, pierwsze akumulatory aluminiowe stały się możliwe dopiero wtedy, gdy naukowcy odkryli ciecz jonową o temperaturze pokojowej (na bazie soli chloroaluminianowych), która pozwala jonom aluminium sprawnie wnikać i opuszczać katodę grafitową news.stanford.edu. Podobnie, baterie litowo-siarkowe często wykorzystują zmodyfikowane elektrolity ciekłe lub elektrolity stałe, aby zapobiec problemom, o których opowiemy później (takim jak wyciekanie siarki do elektrolitu).

Podsumowując w prostych słowach: baterie aluminiowe wytwarzają energię dzięki temu, że metaliczny glin oddaje wiele elektronów na atom (niesamowicie wysoki ładunek na atom metalu) i tworzy wiązania albo z katodą-gospodarzem, albo z tlenem/siarką, podczas gdy baterie siarkowe generują energię poprzez to, że lekki, powszechny pierwiastek (siarka) wychwytuje jony metalu i elektrony, tworząc bogate w energię związki. Oba rozwiązania wykraczają poza pojedynczy transfer jonu litu w obecnych bateriach, potencjalnie oferując więcej energii na jedno ładowanie. Następnie przyjrzyjmy się konkretnym odmianom tych baterii, które są obecnie rozwijane.

Rodzaje baterii na bazie aluminium

Naukowcy badają kilka typów baterii wykorzystujących aluminium na różne sposoby:

Akumulatory aluminiowo-jonowe (Al-Ion) wielokrotnego ładowania: Te akumulatory wykorzystują metaliczny aluminium jako anodę i zazwyczaj grafitową katodę ze specjalnym elektrolitem na bazie cieczy jonowej. Słynny wczesny przykład pochodzi z Uniwersytetu Stanforda z 2015 roku, gdzie naukowcy zaprezentowali prototyp akumulatora aluminiowo-jonowego z anodą aluminiową i katodą grafitową w cieczy jonowej. Wykazał on ultraszybkie ładowanie (małe ogniwo można było naładować w około minutę!) oraz niezwykle długą żywotność cykliczną (ponad 7 500 cykli ładowania bez utraty pojemności) news.stanford.edu. Ogniwo Stanforda było również bardzo bezpieczne – badacze mogli przewiercić ogniwo typu pouch bez ryzyka zapłonu, w przeciwieństwie do ogniw litowych news.stanford.edu. Miało jednak niższe napięcie (~2 wolty, czyli około połowy napięcia typowego ogniwa Li-ion) news.stanford.edu, co oznacza, że do uzyskania użytecznych napięć potrzeba byłoby więcej ogniw połączonych szeregowo. Kluczowa zaleta: Akumulatory Al-Ion obiecują szybkie ładowanie, długą żywotność i zwiększone bezpieczeństwo (brak elementów łatwopalnych), przy użyciu tanich materiałów (aluminium i węgiel) news.stanford.edu. Trwające badania mają na celu zwiększenie ich gęstości energii poprzez znalezienie lepszych katod i elektrolitów, aby podnieść napięcie i pojemność news.stanford.edu. Kilka zespołów na całym świecie (od Stanforda po chińskie uniwersytety news.mit.edu) rozwija technologię aluminiowo-jonową. Na przykład naukowcy badają różne materiały katodowe (nawet siarczki metali nature.com), aby skuteczniej magazynować jony aluminium nature.com.
Baterie aluminiowo-powietrzne: Aluminiowo-powietrzna to bateria pierwotna (niedoładowywana elektrycznie, ale potencjalnie „tankowana” mechanicznie), w której metaliczny aluminium reaguje z tlenem z powietrza, generując prąd. Ogniwa te mają imponująco wysoką gęstość energii, ponieważ katoda to po prostu powietrze atmosferyczne – dzięki czemu bateria jest niezwykle lekka. W rzeczywistości, zestawy aluminiowo-powietrzne mogą mieć około 3 razy więcej energii na jednostkę masy niż litowo-jonowe na poziomie systemu evreporter.com. Minusem jest to, że gdy anodowy aluminium utlenia się do wodorotlenku lub tlenku glinu, ogniwo jest „zużyte” i wymaga świeżego aluminium, aby działać dalej. To sprawia, że bateria aluminiowo-powietrzna jest bardziej podobna do ogniwa paliwowego lub dodatkowego rozszerzenia zasięgu: zamiast ładować, wymieniasz płytkę aluminiową (a zużytą poddajesz recyklingowi). Firmy takie jak Phinergy z Izraela od lat są pionierami systemów aluminiowo-powietrznych. We współpracy z Indian Oil Corporation testują baterie aluminiowo-powietrzne w pojazdach elektrycznych i stacjonarnych jednostkach awaryjnych. W 2023 roku zademonstrowali w Indiach mały samochód elektryczny, który przejechał ponad 500 km na ogniwach aluminiowo-powietrznych, zanim wymagał „tankowania” aluminiumevreporter.com. CEO Phinergy, David Mayer, podkreśla, że technologia aluminiowo-powietrzna jest „bezpieczna, niepalna,” nie wymaga ciężkiej infrastruktury ładowania i może być „ładowana” (przez wymianę aluminium) „w kilka minut” zamiast godzin evreporter.com. Wadą jest konieczność stworzenia całego łańcucha dostaw do masowej produkcji i recyklingu płyt aluminiowych. Jednak ta technologia jest już komercyjnie wykorzystywana w niszach: np. aluminiowo-powietrzne jednostki Phinergy są stosowane jako zasilanie awaryjne dla wież telekomunikacyjnych (zastępując generatory diesla) w Izraelu i Europie evreporter.com. Baterie aluminiowo-powietrzne raczej nie zastąpią bezpośrednio akumulatora w Twoim telefonie, ale mogą służyć jako dodatkowe rozszerzenie zasięgu dla pojazdów elektrycznych lub magazynowanie długoterminowe – zapewniając ogromny zapas energii, który okresowo wymieniasz.
Baterie aluminiowo-siarkowe: Co ciekawe, niektórzy naukowcy łączą aluminium i siarkę w jednej baterii – używając aluminium jako anody, a siarki jako katody, z elektrolitem w postaci stopionej soli lub cieczy jonowej. To hybrydowe podejście próbuje wykorzystać najlepsze cechy obu pierwiastków: wysoką pojemność anody aluminium i wysoką pojemność katody siarki, wszystko to z niezwykle tanich materiałów. W sierpniu 2022 roku zespół kierowany przez Donalda Sadowaya z MIT zaprezentował nowy projekt baterii aluminiowo-siarkowej, który od razu przyciągnął uwagę mediów ze względu na niskie koszty i wydajność. Wykorzystuje stopione sole chloroaluminianowe jako elektrolit, który działa w umiarkowanej temperaturze (około 110 °C, podobnie jak gorąca filiżanka kawy), aby utrzymać sól w stanie ciekłym news.mit.edu. Podgrzewany elektrolit był sprytnym wyborem: nie tylko jest niepalny i tani, ale także zapobiegał powstawaniu dendrytów – tych uciążliwych metalowych igieł, które mogą powodować zwarcia w bateriach. Jak ujął to Sadoway, wybrana sól „praktycznie wyeliminowała te niekontrolowane dendryty, a jednocześnie umożliwiła bardzo szybkie ładowanie” news.mit.edu. Jego prototypowa bateria aluminiowo-siarkowa mogła być ładowana w mniej niż minutę bez zwarcia i działała przez setki cykli, przy szacowanym koszcie na ogniwo około jednej szóstej kosztu porównywalnych ogniw litowo-jonowych news.mit.edu. To ogromna redukcja kosztów, potwierdzona przez niezależnych analityków; koszty materiałów dla tych baterii mogą być o 85% niższe niż w przypadku litowo-jonowych według magazynu Science news.mit.edu. Wizja zakłada wykorzystanie takich ogniw do magazynowania energii stacjonarnej (np. przechowywania energii słonecznej na noc) i być może do wsparcia szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych. Projekt Sadowaya jest komercjalizowany przez startup o nazwie Avanti, który zamierza wkrótce zwiększyć skalę produkcji ogniw i przeprowadzić testy wytrzymałościowe news.mit.edu. Tymczasem inne zespoły rozwijają koncepcję baterii aluminiowo-siarkowych dalej: w styczniu 2024 roku naukowcy z Chin poinformowali o ładowalnej baterii Al-S, która może pracować w temperaturze 85 °C (tuż poniżej temperatury wrzenia wody, jeszcze łatwiejsza do utrzymania) z doskonałą żywotnością – ponad 1 400 cykli przy zaledwie 15% utracie pojemności, a także możliwością szybkiego ładowania w tej temperaturze nature.com. Obniżenie temperatury pracy poniżej 100 °C oznacza, że do utrzymania baterii wystarczyłoby proste podgrzewanie wodą, co „znacznie upraszcza” zarządzanie termiczne i otwiera drogę do szerszych zastosowań nature.com. Podsumowanie: Baterie aluminiowo-siarkowe mogą stać się przełomem dla magazynowania energii w sieci i być może niektórychw pojazdach, dostarczając ultra-tanie, ognioodporne baterie wykorzystujące powszechnie występujące na Ziemi aluminium (najpowszechniejszy metal) i siarkę (najtańszy niemetal) news.mit.edu.

Rodzaje baterii na bazie siarki

Kilka technologii baterii wykorzystuje katody siarkowe w połączeniu z różnymi anodami:

Baterie litowo-siarkowe (Li-S): Litowo-siarkowa to jedna z najczęściej badanych chemii „post-litowych” ze względu na jej niezwykle wysoką potencjalną energię. Ogniwo Li-S może teoretycznie magazynować do 5 razy więcej energii na jednostkę masy niż ogniwo litowo-jonowe, ponieważ siarka jest bardzo lekka, a każda cząsteczka siarki może wiązać wiele atomów litu. W praktyce baterie Li-S już wykazały gęstości energii na poziomie około 400–500 Wh/kg (mniej więcej dwukrotnie więcej niż Li-ion) w laboratoriach businessaviation.aero, apricum-group.com. Są one również atrakcyjne, ponieważ są bardzo tanie i ekologiczne – siarka kosztuje prawie nic i jest powszechnie dostępna, a ogniwa Li-S nie zawierają kobaltu ani niklu. Jednak piętą achillesową Li-S była trwałość i stabilność. Tradycyjne prototypy Li-S cierpiały na efekt „wahadła polisiarczkowego”: pośrednie związki siarki (polisiarczki) rozpuszczają się w elektrolicie podczas cykli i migrują do anody litowej, powodując samorozładowanie, korozję i szybki spadek pojemności anl.gov. Występują także znaczne „oddychanie” (zmiany objętości) – siarka znacznie się rozszerza i kurczy podczas ładowania/rozładowania, co może uszkadzać strukturę ogniwa reuters.com. Problemy te sprawiały, że wczesne baterie Li-S kończyły żywot po zaledwie kilkudziesięciu cyklach. Dobrą wiadomością jest to, że najnowsze przełomy rozwiązują te problemy. Naukowcy opracowali nanostrukturalne katody węglowe i dodatki do elektrolitów, które wychwytują polisiarczki i wydłużają żywotność nature.com. W styczniu 2023 roku Argonne National Lab zaprezentowało ogniwo Li-S ze specjalną porowatą „redoks-aktywną” warstwą pośrednią, która niemal całkowicie wyeliminowała problem wahadła, pozwalając baterii wytrzymać ponad 700 cykli przy zachowaniu wysokiej pojemności anl.gov. „Poprzednie [siarkowe] baterie tylko tłumiły wahadło, ale kosztem energii. Nasza warstwa zwiększa pojemność magazynowania i tłumi wahadło”, wyjaśnił chemik Argonne Guiliang Xu anl.gov. Sugeruje to, że baterie Li-S mogą być zarówno wysokoenergetyczne, jak i trwałe. W rzeczywistości firmy już ścigają się, by je skomercjalizować: Lyten, kalifornijski startup, opracował ogniwo litowo-siarkowe wzmocnione opatentowanymi materiałami 3D z grafenu i celuje w niszowe rynki, takie jak drony, lotnictwo i obronność w latach 2024–2025 lyten.com. Lyten twierdzi, że jej akumulatory Li-S są o 40% lżejsze niż obecne akumulatory litowo-jonowe (i o 60% lżejsze niż akumulatory żelazowo-fosforanowe), a jednocześnie tańsze w produkcji na dużą skalę dzięki eliminacji niklu, kobaltu i innych kosztownych materiałów lyten.com. Inna firma, Theion (Niemcy), pracuje nad krystalicznymi katodami siarkowymi i niedawno poinformowała o ogniwach Li-S o 3× większej gęstości energii niż Li-ion, przy zaledwie jednej trzeciej kosztów, a potencjalnie także jednej trzeciej emisji podczas produkcji reuters.com. Dyrektor generalny Theion, Ulrich Ehmes, powiedział, że ich akumulatory – które unikają problemów z korozją dzięki zastosowaniu stabilnej formy siarki i wstępnie rozszerzonej konstrukcji – mogą trafić do pojazdów elektrycznych „przed końcem dekady”, jeśli rozwój będzie przebiegał zgodnie z planem reuters.com. Krótko mówiąc, akumulatory litowo-siarkowe są na progu przejścia z laboratorium na rynek, obiecując ultralekkie, wysokoenergetyczne pakiety do zastosowań, w których każdy kilogram ma znaczenie (samoloty elektryczne, samochody elektryczne dalekiego zasięgu, kosmos).
Baterie sodowo-siarkowe (Na-S): Sód i siarka mogą wydawać się nieoczywistą parą (sód jest bardzo reaktywny, a wczesne baterie Na-S działały w wysokiej temperaturze 300°C), ale ta technologia ma długą historię w magazynowaniu energii dla sieci energetycznych. Wysokotemperaturowe baterie Na-S są używane w magazynowaniu energii na skalę przemysłową od dekad (szczególnie przez NGK w Japonii) – działają z użyciem stopionego sodu i siarki oddzielonych ceramicznym elektrolitem stałym, zapewniając dobrą wydajność i trwałość w zastosowaniach stacjonarnych. Jednak konieczność utrzymywania temperatury ok. 300°C ograniczała ich szersze zastosowanie. Ostatnio pojawiło się zainteresowanie bateriami sodowo-siarkowymi pracującymi w temperaturze pokojowej, które mogą stanowić tanią i bezpieczną alternatywę dla magazynowania energii na dużą skalę. Pod koniec 2022 roku zespół z Uniwersytetu w Sydney ogłosił „tanią baterię o czterokrotnie większej pojemności niż litowo-jonowa” wykorzystującą nową konstrukcję Na-S działającą w temperaturze pokojowej sydney.edu.au. Dzięki zastosowaniu porowatej elektrody węglowej i prostego zabiegu termicznego (pirolizy) w celu uzyskania bardziej reaktywnej formy siarki, osiągnęli bardzo wysoką pojemność i wyjątkowo długą żywotność w temperaturze pokojowej, pokonując wcześniejsze „powolne” działanie Na-S sydney.edu.au. Główny badacz dr Shenlong Zhao powiedział, że ta bateria sodowo-siarkowa „ma potencjał drastycznego obniżenia kosztów przy jednoczesnym zapewnieniu czterokrotnie większej pojemności magazynowania. To znaczący przełom dla rozwoju energii odnawialnej…” sydney.edu.au. Rzeczywiście, sód i siarka są jeszcze bardziej powszechne i tańsze niż lit, więc udana bateria Na-S mogłaby być ogromnym wsparciem dla magazynowania energii w sieci – umożliwiając budowę dużych baterii dla farm wiatrowych i słonecznych przy minimalnych kosztach. Chociaż ogniwa Na-S nie dorównują litowo-jonowym pod względem kompaktowości dla samochodów elektrycznych (sód jest cięższy, a te ogniwa są obecnie większego formatu), mogą stać się kluczowym elementem czystej infrastruktury energetycznej, oferując bezpieczne i tanie magazynowanie energii, gdy słońce nie świeci lub wiatr nie wieje sydney.edu.au. Na całym świecie (Chiny, Australia, Europa) trwają badania nad udoskonaleniem baterii Na-S pracujących w temperaturze pokojowej do zastosowań komercyjnych.
Inne baterie na bazie siarki: Poza Li-S i Na-S, naukowcy eksperymentowali z katodami siarkowymi w połączeniu z innymi metalami, takimi jak magnez czy wapń, a nawet łącząc siarkę z aluminium (jak omówiono wcześniej). Te baterie metalowo-siarkowe z jonami wielowartościowymi (gdzie jon metalu niesie więcej niż jeden ładunek, np. Al³⁺ lub Mg²⁺) są atrakcyjne z tych samych powodów co samo aluminium lub siarka – dostępność i wysoka pojemność – ale napotykają jeszcze trudniejszą chemię i znajdują się głównie na wczesnych etapach badań advanced.onlinelibrary.wiley.com. Na przykład ogniwa magnezowo-siarkowe mają problemy z kompatybilnością elektrolitu i powolną kinetyką. Baterie siarkowe w stanie stałym to kolejna nowatorska odmiana: poprzez zastosowanie elektrolitu stałego (często siarczkowego lub polimerowego), naukowcy dążą do stworzenia ogniw Li-S, które będą bezpieczniejsze (bez łatwopalnego płynu) i całkowicie wyeliminują efekt „shuttle” polisiarczków onlinelibrary.wiley.com, businessaviation.aero. NASA aktywnie rozwija baterię litowo-siarkową w stanie stałym (projekt SABERS) z katodą siarkowo-selenową i nowatorskim elektrolitem stałym, osiągając gęstości energii ~500 Wh/kg, odpowiednie dla lotnictwa elektrycznego businessaviation.aero. Atrakcyjność siarki – lekka, powszechna, wydajna – sprawia, że znajduje się ona w centrum wielu futurystycznych koncepcji baterii.

Po omówieniu rodzajów baterii aluminiowych i siarkowych, możemy teraz porównać, jak te technologie wypadają na tle dominujących baterii litowo-jonowych i jakie unikalne korzyści oferują.

Kluczowe zalety i przewagi nad litowo-jonowymi

Zarówno baterie na bazie aluminium, jak i siarki obiecują znaczące korzyści pod względem kosztów, zrównoważonego rozwoju i wydajności, jeśli ich rozwój będzie przebiegał pomyślnie. Oto najważniejsze zalety:

🌎 Obfite, niskokosztowe materiały: Aluminium i siarka są tanie i powszechnie dostępne praktycznie wszędzie. Aluminium jest najobficiej występującym metalem w skorupie ziemskiej, a siarka to powszechny produkt uboczny rafinacji. Oznacza to, że koszty materiałów mogą być drastycznie niższe. Raport opublikowany przez Science zauważył, że surowce do produkcji baterii aluminiowo-siarkowych mogą być o 85% tańsze niż te do baterii litowo-jonowych news.mit.edu. Theion (startup produkujący baterie siarkowe) podobnie twierdzi, że ich ogniwa będą kosztować tylko jedną trzecią ceny ogniw Li-ion reuters.com. Słowami Sadowaya, te baterie są „pozyskiwane etycznie, tanie [i] skuteczne” news.mit.edu – unikają drogich metali, które często wiążą się z problematycznym wydobyciem. Wykorzystanie obfitych zasobów oznacza także mniej wąskich gardeł w dostawach; nie grożą nam niedobory litu czy kobaltu, jeśli baterie aluminiowo-siarkowe się upowszechnią.
🔥 Zwiększone bezpieczeństwo (niepalność): Wiele nowoczesnych baterii aluminiowo/siarkowych jest projektowanych z myślą o znacznie większym bezpieczeństwie. Zamiast łatwopalnych organicznych elektrolitów mogą wykorzystywać nieorganiczne sole stopione lub elektrolity stałe, które się nie zapalają news.mit.edu. Ogniwa aluminiowo-jonowe i aluminiowo-siarkowe prezentowane przez Stanford i MIT „nie zapalą się, nawet jeśli się je przewierci” lub będą pracować w wysokiej temperaturze news.stanford.edu, news.mit.edu. Podobnie, katody siarkowe w połączeniu z elektrolitami stałymi lub żelowymi lepiej opierają się ucieczce termicznej niż konwencjonalne Li-ion. System aluminiowo-powietrzny firmy Phinergy jest z natury niepalny i „bezpieczny, niepalny” w użytkowaniu evreporter.com. Zwiększone bezpieczeństwo nie tylko chroni użytkowników, ale także upraszcza transport i produkcję (nie ma potrzeby kosztownego chłodzenia czy systemów przeciwpożarowych w modułach baterii).
⚡ Wysoka gęstość energii i lekkość: Obie technologie oferują potencjał większego magazynowania energii na jednostkę masy niż obecne baterie. Na przykład baterie litowo-siarkowe osiągnęły ~500 Wh/kg w prototypach businessaviation.aero – około dwa razy więcej niż najlepsze Li-ion, co umożliwia znacznie lżejsze pakiety baterii. Lyten informuje, że ich ogniwa Li-S będą do 40% lżejsze niż pakiety Li-ion przy tej samej energii lyten.com. Theion celuje w 3x większą gęstość energii niż Li-ion reuters.com. Dla pojazdów elektrycznych i samolotów może to oznaczać dłuższy zasięg lub większy ładunek przy tej samej masie baterii. Baterie aluminiowo-powietrzne mają ekstremalnie wysoką gęstość energii (kilka lat temu użyto ich do ustanowienia rekordu 1 100 mil przejechanych EV na jednym „zbiorniku” aluminiowo-powietrznym), choć wymagają tankowania. Nawet baterie aluminiowo-jonowe, choć teoretycznie mają niższą energię niż Li-S, mogą wyróżniać się gęstością mocy – ogniwo Stanforda mogło się całkowicie naładować w jedną minutę news.stanford.edu, co sugeruje baterie ładujące się tak szybko, jak tankowanie paliwa. Krótko mówiąc, te technologie mogą dostarczyć albo znacznie więcej energii (do długotrwałego użytkowania), albo znacznie szybsze tempo rozładowania/ładowania niż Li-ion, albo oba te atuty.
🔋 Potencjał długiej żywotności cyklicznej: Odpowiednio zaprojektowane baterie aluminiowe i siarkowe mogą działać tak długo lub dłużej niż Li-ion. Anody aluminiowe nie tworzą takich samych dendrytów jak lit (szczególnie przy odpowiednich elektrolitach) news.mit.edu, więc mogą być bardzo trwałe. Ogniwo Al-ion ze Stanfordu przetrwało ponad 7 500 cykli (o rząd wielkości więcej niż Li-ion) news.stanford.edu. Ogniwa siarkowe historycznie miały słabą żywotność, ale nowe konstrukcje (warstwy pośrednie, stan stały itp.) osiągają setki lub tysiące cykli przy minimalnej utracie pojemności anl.gov, nature.com. Dla magazynowania stacjonarnego kluczowa jest bateria, która niezawodnie cykluje codziennie przez 10+ lat, a twórcy tych technologii mocno skupiają się na stabilności.
♻️ Korzyści dla środowiska i etyki: Ponieważ wykorzystują łatwo dostępne materiały, te baterie unikają szkód środowiskowych związanych z wydobyciem i przetwarzaniem rzadkich metali, takich jak kobalt, nikiel i lit. Zmniejsza się również wbudowany ślad węglowy baterii. Theion szacuje, że ich ogniwa bateryjne z siarką będą emitować tylko jedną trzecią CO₂ podczas produkcji w porównaniu z ogniwami litowo-jonowymi reuters.com. Siarka jest często produktem odpadowym (miliony ton zalegają na składowiskach), więc jej wykorzystanie w bateriach to w zasadzie recykling odpadów przemysłowych. Aluminium również jest wysoce recyklingowalne – istniejąca globalna infrastruktura recyklingu może być wykorzystana do łatwego odzyskiwania aluminium ze zużytych baterii. Z etycznego punktu widzenia, użycie siarki i aluminium omija problem pracy dzieci i naruszeń praw człowieka, które nękają wydobycie kobaltu. Wszystkie te czynniki oznaczają, że baterie nowej generacji mogą być bardziej zrównoważone i społecznie odpowiedzialne przez cały swój cykl życia.
💡 Szybkie ładowanie i wysoka moc: Niektóre konstrukcje aluminiowo-siarkowe wykazują ultraszybkie ładowanie. Wspomnieliśmy o 60-sekundowym ładowaniu w testach laboratoryjnych news.stanford.edu. Dodatkowo, ogniwa aluminiowo-siarkowe w laboratorium działały przy bardzo wysokich prądach ładowania (np. ładowanie z prędkością 1C lub wyższą w podwyższonej temperaturze z doskonałą retencją) nature.com. Aluminium-powietrze można „naładować” natychmiast, wymieniając aluminium. Te cechy mogą złagodzić jedną z największych bolączek konsumentów związanych z pojazdami elektrycznymi i gadżetami – długie czasy ładowania – a także zapewnić wysoką moc wtedy, gdy jest potrzebna (wyobraź sobie narzędzia lub pojazdy elektryczne z bateriami aluminiowymi, które dostarczają mocny impuls bez spadku napięcia).

Warto zauważyć, że nie każda z tych korzyści dotyczy wszystkich wariantów w równym stopniu (na przykład aluminium-powietrze zapewnia dużą energię, ale nie jest elektrycznie ładowalne; aluminium-jon ładuje się szybko, ale ma niższe napięcie; Li-S jest bardzo lekki, ale obecnie ma umiarkowaną żywotność cykliczną). Jednak ogólna obietnica baterii aluminiowych i siarkowych polega na tym, że możemy drastycznie obniżyć koszty i zależność od rzadkich materiałów, zapewniając jednocześnie równą lub lepszą wydajność w kluczowych obszarach bezpieczeństwa, energii i mocy.

Wyzwania i przeszkody techniczne

Jeśli baterie aluminiowe i siarkowe są takie świetne, dlaczego nie są jeszcze wszędzie? Prawda jest taka, że technologie te stoją przed poważnymi wyzwaniami, które naukowcy i inżynierowie wciąż próbują pokonać:

Polisulfidowy shuttle i degradacja katody (problemy z siarką): W akumulatorach litowo-siarkowych i innych z katodą siarkową, notoryczny problem polisulfidowego shuttle był poważną przeszkodą. Podczas cykli pracy akumulatora siarka przechodzi przez stany pośrednie, które mogą rozpuszczać się w elektrolicie i przemieszczać do anody, powodując samorozładowanie, utratę materiału aktywnego, a nawet szkodliwe reakcje z anodą anl.gov. Prowadzi to do szybkiego spadku pojemności. Co więcej, katody siarkowe mają tendencję do pęcznienia i kurczenia się w znacznym stopniu (nawet do ~80% zmiany objętości) podczas konwersji do siarczku litu i z powrotem reuters.com. To „oddychanie” może z czasem rozkruszyć katodę lub spowodować jej odspojenie od kolektorów prądu. Chociaż nowe strategie (takie jak dodawanie warstw ochronnych anl.gov, stosowanie nanostrukturalnych nośników węglowych lub elektrolitów stałych) złagodziły te problemy, zapewnienie, że akumulator siarkowy wytrzyma setki cykli w warunkach rzeczywistych, pozostaje kluczowym wyzwaniem.
Dendryty i problemy z osadzaniem (anody metaliczne): Anody aluminiowe, podobnie jak inne anody metaliczne, mogą tworzyć dendryty (cienkie, przewodzące włókna) podczas ładowania, co grozi zwarciem ogniwa. W rzeczywistości jednym z głównych powodów, dla których akumulatory aluminiowe przez długi czas zawodziły, było to, że nikomu nie udało się uzyskać powtarzalnego procesu osadzania/rozpuszczania aluminium – często tworzył się „mechowaty” osad lub następowała dezaktywacja przez powstawanie tlenku na powierzchni. Elektrolity na bazie cieczy jonowych i soli stopionych w dużym stopniu „opanowały” ten problem (jeden z zespołów zgłosił, że ich akumulator Al na soli stopionej „nigdy nie stracił ogniwa z powodu zwarcia przez dendryty” w testach szybkiego ładowania news.mit.edu). Jednak przy użyciu bardziej konwencjonalnego elektrolitu dendryty lub reakcje uboczne z tlenkową warstwą aluminium mogą być problematyczne. Podobnie, jeśli w akumulatorach siarkowych jako anodę stosuje się metaliczny lit (co jest powszechne w konstrukcjach Li-S), pojawiają się dendryty litu i problemy z bezpieczeństwem, zwłaszcza przy użyciu ciekłych elektrolitów. Naukowcy często łączą Li-S z membranami ochronnymi lub konstrukcjami stałymi, aby zapobiec powstawaniu dendrytów litu.
Niskie napięcie robocze i efektywność energetyczna (jon glinu): Baterie aluminiowo-jonowe, szczególnie te wykorzystujące interkalację (np. katody grafitowe), zazwyczaj mają niższe napięcie ogniwa niż Li-ion. Słynne ogniwo aluminiowo-jonowe ze Stanfordu wytwarzało około 2,0 wolta news.stanford.edu, podczas gdy ogniwo litowo-jonowe ma ~3,7 V nominalnie. Wynika to częściowo z chemii interkalacji Al³⁺ oraz ograniczeń elektrolitu. Niższe napięcie oznacza konieczność zastosowania większej liczby ogniw połączonych szeregowo (co zwiększa złożoność i powoduje pewne straty energii), aby osiągnąć pożądane napięcie pakietu baterii. Istnieje także problem jonów wielowartościowych, takich jak Al³⁺, które mają powolną kinetykę w ciałach stałych – przemieszczenie jonu o ładunku +3 jest trudniejsze niż jonu o ładunku +1, takiego jak Li⁺, więc osiągnięcie wysokiej mocy może być trudne, chyba że podniesie się temperaturę lub zastosuje specjalne elektrolity nature.com. Niektóre baterie aluminiowe działają dobrze tylko w podwyższonych temperaturach (60–100 °C), co może komplikować ich użycie w elektronice konsumenckiej (nikt nie chce stale gorącej baterii w telefonie!). Dobra wiadomość: innowacje w zakresie elektrolitów (np. dodawanie określonych soli lub stosowanie nowych mieszanin) poprawiają przewodnictwo jonów glinu w niższych temperaturach nature.com.
Wymagania temperaturowe: Jak wspomniano, kilka projektów opartych na glinie i sodzie wykorzystuje elektrolity z soli stopionych, które muszą być utrzymywane w cieple. Na przykład bateria aluminiowo-siarkowa z MIT działa optymalnie w temperaturze około 110 °C news.mit.edu, a nawet ulepszony wariant pracuje w 85 °C nature.com. Chociaż nie są to temperatury ekstremalne według standardów przemysłowych, oznacza to, że pakiet baterii wymagałby izolacji i być może niewielkiego podgrzewacza, aby utrzymać odpowiedni zakres temperatur. To jest w porządku dla magazynowania stacjonarnego (gdzie bateria wielkości lodówki może mieć zarządzanie termiczne), ale stanowi wyzwanie dla zastosowań przenośnych i pojazdów elektrycznych, chyba że ciepło może być samowystarczalne (ogniwo Sadowaya faktycznie samo się nagrzewa podczas cykli, aby utrzymać temperaturę news.mit.edu). Praca w wysokiej temperaturze wymaga również solidnego uszczelnienia i uwzględnienia kwestii bezpieczeństwa (choć plusem jest brak ryzyka pożaru). Naukowcy pracują nad obniżeniem temperatury pracy, a nawet badają chemie działające w temperaturze pokojowej zarówno dla systemów opartych na Al, jak i Na nature.com.
Infrastruktura ładowania i „tankowanie” (Al-Air): Charakterystycznym problemem dla ogniw aluminiowo-powietrznych (i podobnych systemów metalowo-powietrznych) jest to, że nie można ich ładować poprzez podłączenie do ładowarki. Trzeba wymienić lub zrecyklingować anodę aluminiową po jej zużyciu. Wymaga to stworzenia całej infrastruktury do wymiany płyt lub wkładów aluminiowych, zbierania zużytych i recyklingu aluminium (prawdopodobnie poprzez proces wytapiania zasilany energią elektryczną, co w praktyce „ładuje” aluminium). Indian Oil i Phinergy aktywnie pracują nad tym ekosystemem evreporter.com, ale to zupełnie inny paradygmat niż stacje benzynowe czy ładowania. Bez szerokiego wsparcia, ogniwa aluminiowo-powietrzne mogą pozostać niszowe. Dodatkowo, produkt uboczny ogniw aluminiowo-powietrznych (wodorotlenek glinu) musi być zagospodarowany – choć można go poddać recyklingowi na nowe aluminium lub inne produkty.
Skalowanie produkcji i integracja: Technologia litowo-jonowa ma 30 lat przewagi, ogromną skalę produkcji, zoptymalizowane łańcuchy dostaw i dobrze wyszkoloną kadrę. Każda nowa chemia baterii musi pokonać barierę przejścia z laboratorium lub pilotażu do skali gigafabryki. Baterie aluminiowe i siarkowe mogą wymagać nowych procesów produkcyjnych (np. obsługi wrażliwych na wilgoć cieczy jonowych lub elektrolitów stałych, czy nowych konstrukcji ogniw jak warstwowe elektrody Theion). Skalowanie bez defektów i przy niskich kosztach nie jest trywialne. Dochodzi też kwestia integracji – czy te nowe baterie można zastosować w istniejących urządzeniach lub pojazdach, czy wymagają nowych projektów? Różne profile napięć, formaty czy warunki pracy mogą oznaczać konieczność przeprojektowania wszystkiego – od systemów zarządzania baterią po konstrukcję podwozia w samochodach. Te koszty przejściowe i niepewności mogą spowolnić wdrożenie.
Aktualny stan (gotowość technologiczna): Choć w latach 2024 i 2025 pojawiły się duże przełomy (o których za chwilę), wiele technologii baterii aluminiowych i siarkowych wciąż znajduje się na etapie prototypu lub wczesnej komercjalizacji. Żadna nie osiągnęła jeszcze masowej skali wdrożenia, jaką cieszą się ogniwa litowo-jonowe. Na przykład ogniwa litowo-siarkowe dopiero teraz wchodzą na ograniczone rynki, takie jak drony i satelity, gdzie ich krótka żywotność może być zaakceptowana lub zrekompensowana. Ogniwa aluminiowo-siarkowe i aluminiowo-jonowe są na etapie demonstracyjnym i skalowania; żaden samochód elektryczny ani sieć energetyczna nie korzysta jeszcze z dużego ogniwa tego typu w pełnej eksploatacji. Oznacza to, że wciąż istnieje ryzyko pojawienia się nieprzewidzianych problemów w rzeczywistym użytkowaniu (przypomnijmy sobie incydenty z ucieczką termiczną w początkach Li-ion). Potrzeba czasu, inwestycji i zapewne kilku iteracji, zanim te technologie będą tak niezawodne jak obecne. Sceptyczna uwaga: ogniwa litowo-jonowe także co roku się poprawiają – na horyzoncie są nowe chemie, jak litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) czy litowo-metalowe w stanie stałym – więc baterie aluminiowe i siarkowe muszą nie tylko działać, ale też konkurować z coraz lepszymi ogniwami obecnej generacji.

Podsumowując, baterie aluminiowo-siarkowe mają ogromny potencjał, ale także stawiają przed nami wyjątkowe wyzwania. Naukowcy otwarcie przyznają, że potrzebne są dalsze badania; jak napisał jeden z zespołów w 2022 roku, pomimo postępów, „baterie Al–S charakteryzowały się dotychczas słabą wydajnością prądową i stabilnością cykliczną”, co wymaga dalszych innowacji w zakresie elektrolitów i elektrod nature.com. Pokonanie tych wyzwań to właśnie cel, na którym skupia się obecnie wiele laboratoriów i startupów.

Kto nadaje ton? Najważniejsi gracze w rozwoju

Ta ekscytująca dziedzina to mieszanka zespołów akademickich, startupów i gigantów przemysłowych, którzy przesuwają granice możliwości. Oto niektórzy z kluczowych graczy i ich działania:

Massachusetts Institute of Technology (MIT) & Avanti: MIT to centrum innowacyjnych badań nad bateriami. Grupa profesora Donalda Sadowaya na MIT była pionierem koncepcji baterii aluminiowo-siarkowej. Po opublikowaniu przełomowych wyników w Nature w 2022 roku, Sadoway współzałożył firmę Avanti, aby skomercjalizować tę technologię news.mit.edu. Celem Avanti jest zwiększenie produkcji ogniw aluminiowo-siarkowych do magazynowania stacjonarnego i nie tylko. Sadoway jest znany również z tego, że współzałożył Ambri, firmę komercjalizującą baterie z ciekłego metalu (z wykorzystaniem innych chemii, takich jak wapń i antymon). Ambri celuje w magazynowanie energii na skalę sieciową i według doniesień wdrażała systemy w 2024 roku youtube.com. Dzięki Ambri i Avanti, innowacje Sadowaya mogą obejmować zarówno duże baterie dla sieci energetycznych, jak i mniejsze baterie do budynków czy stacji ładowania pojazdów elektrycznych news.mit.edu. Wpływ MIT na tym się nie kończy – jego naukowcy badają także projekty z zakresu litu i siarki, a instytut często współpracuje z laboratoriami narodowymi i firmami nad najnowocześniejszymi technologiami bateryjnymi.
Uniwersytet Stanforda i SLAC: Stanford zwrócił na siebie uwagę już na wczesnym etapie prac nad bateriami aluminiowo-jonowymi (prototyp Al-ion o szybkim ładowaniu z 2015 roku news.stanford.edu). Prace te, prowadzone przez prof. Hongjie Dai, wykazały, że prosty katoda grafitowa może umożliwić stworzenie ładowalnej baterii aluminiowej. Stanford nadal prowadzi badania nad bateriami; na przykład SLAC (Stanford Linear Accelerator Lab) badał nowe katody do baterii aluminiowych, takie jak siarczki metali nature.com, oraz analizował chemię na granicy faz w celu poprawy cykliczności. Odkrycie Stanforda z 2015 roku nie przekształciło się jeszcze w produkt komercyjny, ale wykazało wykonalność i zostało zacytowane w wielu późniejszych badaniach. Podkreśliło też etos otwartych badań Stanforda, prowadzących do wdrożeń w przemyśle (niektórzy absolwenci zespołu baterii Stanforda dołączyli do startupów lub założyli własne firmy w rejonie Bay Area).
Graphene Manufacturing Group (GMG) i Uniwersytet Queensland: W Australii GMG (we współpracy z Uniwersytetem Queensland) rozwija baterię grafenowo-aluminiowo-jonową. Zgłosili imponujące osiągi w prototypach typu coin-cell – z niezwykle szybkim ładowaniem i długą żywotnością – wykorzystując grafen (odmiana węgla) jako materiał katodowy w konfiguracji aluminiowo-jonowej batteriesnews.com. GMG dąży do skalowania swojej technologii do ogniw typu pouch, odpowiednich do elektroniki użytkowej lub pojazdów elektrycznych, a pod koniec 2022 roku mieli w toku program rozwojowy i pilotażową linię produkcyjną graphenemg.com. Ich podejście podkreśla synergię nanomateriałów (grafen) z nowymi chemiami, takimi jak aluminium-jon, aby uzyskać lepsze rezultaty.
Phinergy i Indian Oil (IOC): Phinergy to izraelski startup, który od ponad dekady jest pionierem w dziedzinie baterii aluminiowo-powietrznych. W 2014 roku zasłynęli zasileniem samochodu demonstracyjnego na dystansie 1 100 mil przy użyciu baterii aluminiowo-powietrznej, a od tego czasu skupiają się na realnych produktach do zasilania awaryjnego i zwiększania zasięgu pojazdów elektrycznych. Phinergy nawiązało współpracę z Indian Oil Corporation, tworząc joint venture (IOC Phinergy), które wprowadza technologię aluminiowo-powietrzną na rynek indyjski – potencjalnie ogromny dla kraju, który chce znaleźć alternatywy dla ropy naftowej i wykorzystać swój przemysł aluminiowy. Na początku 2023 roku IOC Phinergy zaprezentowało pierwszy w Indiach pojazd zasilany baterią aluminiowo-powietrzną i przygotowywało infrastrukturę do produkcji i recyklingu płyt alcircle.com. Rząd Indii również wykazuje zainteresowanie, ponieważ technologia aluminiowo-powietrzna może zmniejszyć zależność od importowanego litu. Technologia Phinergy jest już komercyjnie wykorzystywana jako zasilanie awaryjne wież telekomunikacyjnych (zastępując generatory diesla bezemisyjnymi systemami aluminiowo-powietrznymi) evreporter.com, a firma współpracuje z producentami samochodów, takimi jak Mahindra, nad integracją z pojazdami (np. testowe floty elektrycznych riksz i autobusów wykorzystujących baterie aluminiowo-powietrzne do zwiększenia zasięgu) evreporter.com. Postępy Phinergy są kluczowe, ponieważ to jedna z pierwszych firm, która wyprowadziła baterię na bazie aluminium z laboratorium do praktycznych zastosowań w terenie.
Lyten: Lyten to startup z Doliny Krzemowej (z siedzibą w San Jose, Kalifornia), który przez kilka lat działał w trybie stealth, opracowując baterię litowo-siarkową ulepszoną o opatentowany materiał grafenowy 3D. Niedawno pojawili się z dużą nowiną: w październiku 2024 roku Lyten ogłosił plany budowy pierwszej na świecie gigafabryki baterii litowo-siarkowych w Nevadzie, z inwestycją przekraczającą 1 miliard dolarów lyten.com l. Zakład ma produkować 10 GWh baterii Li-S rocznie do 2027 roku lyten.com. Ten odważny krok wskazuje na pewność, że ich technologia jest bliska gotowości do masowej produkcji. Początkowymi rynkami docelowymi Lyten nie są samochody osobowe EV, lecz mikromobilność, lotnictwo, drony i obronność w latach 2024–2025 lyten.com – obszary, w których wysoka gęstość energii Li-S daje zdecydowaną przewagę i gdzie nieco krótsza żywotność cykliczna może być akceptowalna. Firma podkreśla niską wagę swoich baterii oraz brak minerałów konfliktowych, a ich ogniwa rzeczywiście wykorzystują anodę z litu metalicznego i katodę z kompozytu siarkowo-węglowego, unikając niklu, kobaltu itd. lyten.com. CEO Lyten, Dan Cook, powiedział, że „Litowo-siarkowa to skok w technologii baterii, dostarczając baterię o wysokiej gęstości energii, niskiej wadze, zbudowaną z łatwo dostępnych lokalnych materiałów” lyten.com. Od 2023 roku produkują nawet pilotażowe ogniwa baterii we własnym zakresie, aby testować i udoskonalać proces produkcyjny lyten.com. Jeśli gigafabryka Lyten odniesie sukces, może to być game-changer – pierwsze komercyjne baterie Li-S produkowane na dużą skalę, potencjalnie do zastosowania w nowej generacji elektrycznych samolotów lub dalekodystansowych elektrycznych ciężarówkach, gdzie liczy się każdy kilogram.
Theion: Theion to startup z siedzibą w Berlinie, Niemcy, koncentrujący się na akumulatorach litowo-siarkowych z pewnym urozmaiceniem – wykorzystują krystaliczną siarkę i specjalne elektrody w celu poprawy stabilności. W marcu 2025 roku Theion pozyskał 15 milionów euro w rundzie finansowania Serii A, aby zwiększyć skalę produkcji swoich ogniw reuters.com. Theion twierdzi, że ich ogniwa mogą potroić gęstość energii w porównaniu do litowo-jonowych, jednocześnie obniżając koszty do jednej trzeciej, jak wspomniano wcześniej reuters.com. Podobno rozwiązali kluczowe problemy poprzez wstępne rozszerzenie katody, aby pomieścić rozszerzanie się siarki, oraz utrzymywanie siarki w formie krystalicznej, która jest mniej reaktywna z elektrolitami reuters.com. CEO Ulrich Ehmes stwierdził, że ich technologia może znaleźć zastosowanie w EV, „latających taksówkach” lub magazynowaniu energii, a potencjalnie pojawić się w samochodach pod koniec lat 2020. reuters.com. Podejście Theion przyciąga uwagę, ponieważ nie opiera się na egzotycznych materiałach – podkreślają, że ich baterie „oddychają” mniej i nie korodują jak wcześniejsze Li-S. Pozyskane środki pomogą im opracować większe ogniwa typu pouch i wyjść poza prototypy typu coin-cell reuters.com. Zainteresowanie Niemiec bateriami siarkowymi wpisuje się również w dążenie Europy do posiadania rodzimych, zrównoważonych technologii bateryjnych.
Argonne National Laboratory & U.S. DOE: W sferze badań publicznych Argonne (wraz z innymi laboratoriami Departamentu Energii USA, takimi jak Oak Ridge i Pacific Northwest) aktywnie prowadzi badania nad bateriami siarkowymi. Omówiliśmy osiągnięcie Argonne w zakresie projektu warstwy pośredniej dla ogniw Li-S anl.gov. Badają również stałotlenkowe baterie siarkowe we współpracy z NASA na potrzeby lotnictwa. Biuro Technologii Pojazdów DOE finansowało wiele projektów dotyczących Li-S, Mg-S, a nawet Li-Air i Al-Air, uznając strategiczne znaczenie chemii nowej generacji. Narodowe laboratoria często współpracują z uniwersytetami (np. Argonne współpracowało z zespołem, w skład którego wchodził Uniwersytet Illinois, nad warstwami pośrednimi siarki) i dzielą się odkryciami, na których mogą bazować startupy. Na przykład wiele zrozumienia zachowania polisiarczków i zaawansowanej charakterystyki (przy użyciu narzędzi takich jak Advanced Photon Source Argonne do analizy rentgenowskiej baterii anl.gov) pochodzi właśnie z tych laboratoriów.
Inne godne uwagi przykłady: Uniwersytety, takie jak Monash University (Australia), trafiły na pierwsze strony gazet w 2020 roku dzięki baterii Li-S, która rzekomo mogła zasilać smartfon przez pięć dni i wykazywała doskonałą stabilność dzięki nowatorskiemu spoiwu i konstrukcji elektrody advancedsciencenews.com. Monash od tego czasu pracuje również nad szybkim ładowaniem Li-S, celując w zastosowania w lotnictwie elektrycznym monash.edu. W Wielkiej Brytanii, obecnie już nieistniejąca Oxis Energy była pionierem w dziedzinie Li-S; przed zamknięciem w 2021 roku Oxis opracował ogniwa Li-S zbliżające się do 400 Wh/kg i współpracował z producentami samolotów. Jej własność intelektualna została przejęta przez inne podmioty, co być może wpłynęło na nowe projekty. Chińska nauka i przemysł są niezwykle aktywne – instytucje takie jak Chińska Akademia Nauk, Uniwersytet Technologiczny w Wuhan (współautor pracy Sadowaya o Al-S news.mit.edu) oraz firmy takie jak CATL badają chemię siarki i aluminium, choć szczegóły są czasem utajnione. Nawet podczas Tesla Battery Day w 2020 roku pojawiły się sugestie zainteresowania siarką (Elon Musk zażartował, że Tesla bada „lit i siarkę”, nie rozwijając tematu, być może w kontekście projektów długoterminowych). Na koniec, NASA i Boeing rozważają Li-S do zastosowań lotniczych: projekt SABERS NASA opracował wielowarstwową baterię siarkową, która osiągnęła 500 Wh/kg, co może umożliwić powstanie elektrycznych samolotów lub zaawansowanych dronów businessaviation.aero.

Jasno widać, że globalny ekosystem innowatorów napędza rozwój baterii aluminiowych i siarkowych – od prężnych startupów po renomowane laboratoria narodowe. Najbliższe lata (2025–2030) prawdopodobnie przyniosą owoce tych wysiłków w postaci rzeczywistych produktów i pilotażowych wdrożeń.

Przełomy i najnowsze innowacje (2024–2025)

Okres od 2024 do 2025 roku jest szczególnie ekscytujący dla rozwoju baterii aluminiowych i siarkowych, z kilkoma godnymi uwagi przełomami:

Styczeń 2024 – Aluminium-Siarka w 85 °C (Nature Communications): Naukowcy zaprezentowali nowy akumulator aluminiowo-siarkowy, który działa w temperaturze 85 °C z czwartorzędowym elektrolitem z soli stopionej, opublikowany w Nature Communications nature.com. Ten akumulator wykazał zdolność do szybkiego ładowania oraz zaskakującą trwałość: zachował 85,4% pojemności po 1400 cyklach przy szybkości ładowania 1C nature.com. Co ważne, 85 °C to duży postęp w porównaniu do wcześniejszych akumulatorów z solami stopionymi, które wymagały 110–180 °C nature.com. Zespół osiągnął to, opracowując specjalną mieszankę soli (alkaliczne chloroaluminiany) o niskiej temperaturze topnienia, co również ułatwiło szybki ruch jonów glinu nature.com. Użyto także kathody z azotowanego, porowatego węgla, która przyspieszała reakcje siarki nature.com. Wynik ten jest istotny, ponieważ wskazuje na praktyczne, niskokosztowe akumulatory sieciowe, które mogłyby działać przy prostym podgrzewaniu (nawet tylko gorącą wodą jako źródłem ciepła, jak zauważają autorzy nature.com) i zapewniać szybkie ładowanie bez degradacji. To krok w stronę uczynienia koncepcji akumulatora Al-S z MIT bardziej przyjazną użytkownikowi i mobilną.
Paź 2024 – Lyten ogłasza gigafabrykę Li-S: Ogłoszenie przez Lyten gigafabryki akumulatorów litowo-siarkowych w Nevadzie było jednym z głównych nagłówków branżowych pod koniec 2024 roku lyten.com. Ma to być pierwsza na świecie gigafabryka dedykowana ogniwom Li-S, z planowaną produkcją na poziomie 10 GWh/rok do 2027 roku lyten.com. Jeszcze bardziej uderzające było stwierdzenie Lyten, że ich akumulatory Li-S już trafiają na wybrane rynki w 2024 i 2025 – konkretnie mają klientów w mikromobilności (e-rowery, hulajnogi), lotnictwie (być może satelity lub drony wysokiego pułapu), dronach i zastosowaniach obronnych korzystających z ich baterii lyten.com. Sugeruje to, że Lyten przeszedł od prototypów laboratoryjnych do produkcji pilotażowej i rzeczywistego użycia w tych niszach. Decyzja o budowie dużej fabryki wskazuje na pewność w skalowaniu technologii i pojawiającym się na nią popycie. To także duży sygnał dla branży akumulatorowej i inwestorów, że technologia litowo-siarkowa zbliża się do gotowości na szeroką skalę. Wkrótce możemy zobaczyć produkty reklamujące się hasłem „bateria Li-S w środku”, przynajmniej w zastosowaniach zaawansowanych lub specjalistycznych, w wyniku tego ruchu.
2023 – 2024 – Rozwiązywanie zagadki cyklu życia siarki: Przez cały 2023 rok i na początku 2024 roku wiele grup badawczych publikowało postępy w wydłużaniu cyklu życia baterii siarkowych. Jednym z najważniejszych osiągnięć było badanie prowadzone przez Argonne (opublikowane w sierpniu 2022 w Nature Communications), które wykazało, że warstwa pośrednia aktywna redoks może znacząco poprawić stabilność baterii Li-S anl.gov. Na początku 2023 roku poinformowano, że to podejście pozwala uzyskać ogniwa utrzymujące wysoką pojemność przez setki cykli anl.gov, przybliżając baterie Li-S do codziennego zastosowania. W połowie 2024 roku inny zespół poinformował o składanej, elastycznej baterii Li-S wykorzystującej specjalną katodę z siarczku żelaza, która mogła nawet wytrzymać przecięcie bez awarii acs.org – to nowatorskie rozwiązanie dla elektroniki ubieralnej lub elastycznej z wykorzystaniem Li-S. Te stopniowe innowacje są ważne: rozwiązują szczegółowe problemy (takie jak zarządzanie polisiarczkami, naprężenia mechaniczne itp.) jeden po drugim. Każde ulepszenie przybliża ogniwa Li-S do spełnienia rygorystycznych wymagań elektroniki komercyjnej i pojazdów.
2024 – Wzrost badań i rozwoju baterii aluminiowych: Po stronie aluminium, pod koniec 2024 roku również pojawiły się interesujące badania. Naukowcy badali nowe materiały katodowe do baterii aluminiowo-jonowych, takie jak siarczek kobaltu, aby osiągnąć wyższą pojemność i lepsze zrozumienie mechanizmów magazynowania ładunku nature.com. Coraz więcej prac dotyczy baterii „wielowartościowych” (w tym Al, Mg, Zn), które często mają wspólne wyzwania i przełomy – na przykład ulepszone elektrolity pomagające jednemu systemowi mogą czasem znaleźć zastosowanie w innym advanced.onlinelibrary.wiley.com. Widzimy też, że kraje takie jak Indie inwestują w technologię baterii aluminiowych, nie tylko poprzez aluminiowo-powietrzne Phinergy, ale także w badania akademickie nad stworzeniem ładowalnej baterii aluminiowej odpowiedniej do warunków indyjskich (rząd finansuje projekty w ramach krajowej misji magazynowania energii). Choć nie trafiły jeszcze na światowe nagłówki, przyczyniają się do rosnącego impetu wokół baterii aluminiowych na całym świecie.
Sygnały polityczne i rynkowe: Przełomowe historie nie dotyczą tylko kwestii technicznych. W latach 2024–2025 obserwujemy silne sygnały rynkowe wspierające te nowe baterie. Amerykańska ustawa o redukcji inflacji (IRA) oraz inne polityki wspierają krajowe łańcuchy dostaw baterii – co sprzyja technologiom, które można produkować z lokalnie pozyskiwanych surowców, takich jak siarka (USA produkują dużo siarki z rafinacji ropy) i aluminium. Gigafabryka Lyten w Nevadzie oraz zainteresowanie Departamentu Obrony USA lekkimi bateriami Li-S dla żołnierzy lub satelitów to efekty tych zachęt lyten.com. W Europie nacisk na zrównoważony rozwój sprawia, że bateria bez kobaltu i niklu jest bardzo atrakcyjna, stąd finansowanie UE dla projektów takich jak Theion i innych. Nawet w Chinach, gdzie dominuje produkcja baterii litowo-jonowych, pojawiły się programy państwowe wspierające „baterie nowej generacji” (na przykład CATL podobno pracuje nad hybrydową baterią sodowo-jonową + siarkową z planowanym wdrożeniem około 2023/24 w magazynowaniu stacjonarnym). Wszystkie te trendy wskazują, że nadszedł czas na baterie aluminiowe i siarkowe – świat szuka rozwiązań, a technologia zaczyna odpowiadać na te potrzeby.

W istocie, ostatnie dwa lata przekształciły baterie aluminiowe i siarkowe z niszowej ciekawostki laboratoryjnej w poważnych pretendentów do roli przyszłości magazynowania energii. Jak trafnie ujął to jeden z naukowców, „Jesteśmy o krok bliżej, by zobaczyć tę technologię w naszym codziennym życiu.” anl.gov Ten stopniowy postęp to właśnie to, co dzieje się teraz, a kolejnym krokiem będzie szersza komercjalizacja i skalowanie tych innowacji.

Potencjalne zastosowania i wpływ na czystą energię oraz pojazdy elektryczne

Wzrost znaczenia baterii aluminiowych i siarkowych może wpłynąć na wiele sektorów. Oto niektóre z najbardziej obiecujących zastosowań i ich implikacje:

🏠 Magazynowanie energii odnawialnej (sieć i dom): Być może największy wpływ w najbliższym czasie będzie dotyczył stacjonarnego magazynowania energii dla czystej energii. Jednym z głównych wyzwań energii odnawialnej (słonecznej, wiatrowej) jest jej niestabilność – słońce i wiatr nie są dostępne 24/7, więc potrzebujemy ogromnych, ekonomicznych baterii do magazynowania energii na czas, gdy nie są one produkowane. Baterie litowo-jonowe zaczęły być wykorzystywane do magazynowania energii w sieci, ale wciąż są stosunkowo drogie i zależne od importowanych materiałów. Baterie aluminiowo-siarkowe i sodowo-siarkowe, dzięki swoim bardzo tanim komponentom, mogą drastycznie obniżyć koszt magazynowania kilowatogodziny. Sadoway z MIT celował konkretnie w skalę domową i sąsiedzką ze swoją baterią Al-S – „rozmiar potrzebny do zasilenia pojedynczego domu lub małego/średniego biznesu” (rzędu dziesiątek kWh) news.mit.edu. Takie baterie pozwoliłyby właścicielom domów z panelami słonecznymi na tanie magazynowanie energii dziennej na noc, a małym firmom na posiadanie zasilania awaryjnego bez generatora diesla. Na większą skalę, firmy energetyczne mogłyby wdrażać ogromne banki baterii aluminiowych lub sodowo-siarkowych, aby wyrównywać produkcję energii odnawialnej. Zespół z Uniwersytetu w Sydney zauważył, że ich tania bateria Na-S może „znacząco obniżyć koszt przejścia do gospodarki zdekarbonizowanej” poprzez zapewnienie przystępnego magazynowania sydney.edu.au. W miejscach, gdzie nie ma warunków geograficznych do magazynowania energii w elektrowniach szczytowo-pompowych, te rozwiązania elektrochemiczne są kluczowe. Dodatkowo, ponieważ te nowe baterie są niepalne (ważne dla bezpieczeństwa społeczności) i wykorzystują powszechnie dostępne materiały, mogą być produkowane i instalowane lokalnie w wielu regionach – zwiększając bezpieczeństwo energetyczne. Ogólnie rzecz biorąc, szeroko wdrożone stacjonarne baterie aluminiowo/siarkowe umożliwiłyby większy udział energii odnawialnej, zmniejszyłyby ograniczenia (marnowanie energii słonecznej/wiatrowej z powodu braku magazynowania) i pomogłyby stabilizować sieć czystą, sterowalną energią.
🚗 Pojazdy elektryczne (EV): Lżejsze i o wyższej energii baterie to święty Graal dla EV, a nawet lotnictwa elektrycznego. Szczególnie atrakcyjne są tu baterie litowo-siarkowe. Pakiet Li-S mógłby znacząco wydłużyć zasięg jazdy EV bez zwiększania masy – lub odwrotnie, pozwolić na ten sam zasięg przy znacznie lżejszej baterii, poprawiając wydajność. Na przykład, jeśli dzisiejszy EV potrzebuje baterii Li-ion o masie 600 kg, aby przejechać 300 mil, bateria Li-S o 2× większej gęstości energii mogłaby osiągnąć to przy ~300 kg, znacząco zmniejszając masę pojazdu. To poprawia przyspieszenie, prowadzenie i zmniejsza zużycie energii na milę. Może to również uczynić elektryczne ciężarówki i autobusy bardziej opłacalnymi, uwalniając masę ładunku. Firmy takie jak Oxis Energy (zanim została zamknięta) i Sion Power współpracowały z partnerami z branży lotniczej i motoryzacyjnej nad prototypami pakietów Li-S do samolotów dalekiego zasięgu i EV. W rzeczywistości wcześniejsze ogniwa Li-S firmy Sion Power zasilały Pseudo-Satelitę o Wysokim Pułapie (bezzałogowy samolot solarny), który pobił rekordy długości lotu w latach 2010. Ostatnio NASA i Airbus rozważały Li-S jako jeden z niewielu sposobów na osiągnięcie wymaganych 500 Wh/kg dla praktycznych elektrycznych samolotów pasażerskich businessaviation.aero – sukces ich projektu SABERS sugeruje, że regionalne samoloty elektryczne z bateriami siarkowymi są na horyzoncie. Elektryczne latające taksówki i drony również by na tym skorzystały; Theion wyraźnie wskazał pojazdy latające jako cel reuters.com. Poza Li-S, nawet baterie aluminiowo-powietrzne mają zastosowanie w EV: mogą służyć jako moduł wydłużający zasięg, który aktywujesz na długie trasy. Wyobraź sobie EV z małą baterią Li-ion do codziennych dojazdów i aluminiowo-powietrzną „baterią pomocniczą”, którą uzupełniasz (wymieniasz aluminium) tylko podczas 1000-kilometrowych podróży. Takie hybrydowe architektury baterii są rozważane w projektach Indian Oil/Phinergy i innych. Należy zauważyć, że główny nurt EV nie przejdzie na zupełnie nową chemię z dnia na dzień – bezpieczeństwo, trwałość i szybkie ładowanie muszą być udowodnione – ale pod koniec lat 2020. jest prawdopodobne, że modele z wyższej półki lub pojazdy specjalnego przeznaczenia mogą być wyposażone w baterie nowej generacji. Jeśli tak się stanie, może to wynieść osiągi EV na nowy poziom (zasięgi 500+ mil, bardzo szybkie ładowanie, lżejsze samochody) i zmniejszyć zależność od krytycznych minerałów, umożliwiając tym samym szerszą adopcję EV bez wąskich gardeł surowcowych.
📱 Elektronika przenośna i urządzenia noszone: Twój przyszły smartfon lub laptop również może skorzystać z baterii siarkowych lub aluminiowych, choć te zastosowania wymagają długiej żywotności cyklicznej i niskiego samorozładowania (obszary, w których obecnie przoduje Li-ion). Akumulator litowo-siarkowy mógłby sprawić, że Twój telefon działałby przez kilka dni między ładowaniami – przypomnijmy koncepcję Monash University dotyczącą telefonu działającego 5 dni na baterii Li-S advancedsciencenews.com. Oszczędność wagi jest mniej istotna w przypadku telefonu, ale gęstość energii już tak. Jednym z wyzwań jest to, że urządzenia konsumenckie oczekują setek cykli i lat żywotności kalendarzowej; Li-S będzie wymagać dalszego udoskonalenia, aby to osiągnąć. Mimo to, możemy zobaczyć, że niszowe gadżety lub urządzenia noszone zaczną je stosować, jeśli zaoferują przewagę w formie. Baterie aluminiowe, zwłaszcza elastyczne konstrukcje jak ta ze Stanfordu, mogą umożliwić powstanie składanych lub zwijanych gadżetów. Na przykład, akumulator aluminiowo-jonowy, który jest elastyczny, mógłby zostać zintegrowany z paskiem smartwatcha lub inteligentną odzieżą. Ponadto, ponieważ Al-ion może być bardzo bezpieczny (brak ryzyka pożaru), można je wbudować w urządzenia bez masywnych obudów ochronnych, co może nawet umożliwić bardziej kreatywne projekty przemysłowe. To na razie spekulacje, ale wraz z rozwojem produkcji elektronika konsumencka może stać się ważnym rynkiem (w końcu była nim dla początkowego rozwoju litowo-jonowych w latach 90.).
⚡ Infrastruktura szybkiego ładowania: Jednym z mniej oczywistych, ale ważnych zastosowań jest użycie tych nowych baterii do ułatwienia szybkiego ładowania EV i stabilizacji sieci. Jak zauważył profesor Sadoway, jeśli wiele EV próbuje ładować się jednocześnie (np. kilka samochodów na postoju przy autostradzie), zapotrzebowanie na moc gwałtownie wzrasta ponad to, co sieć elektryczna może łatwo dostarczyć news.mit.edu. Zamiast modernizować linie energetyczne, mądrzejszym rozwiązaniem jest instalacja bufora bateryjnego na stacjach ładowania – bateria ładuje się powoli z sieci, a następnie szybko oddaje energię do samochodów, gdy jest to potrzebne. W przypadku takich buforów bateryjnych najważniejsze są koszty i bezpieczeństwo, a waga ma mniejsze znaczenie. To sprawia, że siarkowo-aluminiowe lub sodowo-siarkowe są idealnymi kandydatami. Przechowują energię tanio na miejscu, nie grożą pożarem i mogą szybko oddać ładunek. Sadoway wspomniał, że systemy Al-S mogą „wyeliminować potrzebę instalowania kosztownych nowych linii energetycznych” dla skupisk szybkich ładowarek news.mit.edu. Zasadniczo te baterie mogą działać jako amortyzatory dla sieci elektrycznej, pochłaniając nadmiar energii i uwalniając ją na żądanie, czy to przy szczytach ładowania EV, czy przy bilansowaniu wahań produkcji odnawialnej.
🏭 Przemysłowe i komercyjne zasilanie awaryjne: Podobnie jak wieże telekomunikacyjne wykorzystują aluminium-powietrze do zasilania awaryjnego, inne branże i obiekty komercyjne mogłyby używać baterii aluminiowych lub siarkowych, aby zapewnić niezawodność i ograniczyć zależność od agregatów diesla. Centra danych, na przykład, potrzebują baterii, które są bezpieczne, mają długą żywotność w trybie czuwania i są opłacalne na dużą skalę – można sobie wyobrazić pomieszczenia z bateriami sodowo-siarkowymi zastępujące obecnie używane banki akumulatorów litowo-jonowych lub kwasowo-ołowiowych do zasilania UPS (nieprzerwane zasilanie awaryjne). Na odległych lub poza siecią lokalizacjach tanie baterie, które nie wymagają częstej wymiany, są niezwykle cenne (mniej wyjazdów serwisowych). Baterie aluminiowo-siarkowe, prognozowane jako bardzo tanie w przeliczeniu na kWh, mogłyby umożliwić mikrosieci na obszarach wiejskich lub wyspowych, w połączeniu z energią słoneczną/wietrzną, zapewniając całodobowe zasilanie bez nadmiernych kosztów.
🚀 Przemysł lotniczy i obronny: Wysoka wydajność tych baterii jest naturalnie atrakcyjna dla zastosowań w lotnictwie i obronności. Jak wspomniano, satelity i drony wysokiego pułapu (pseudostatelity) z powodzeniem wykorzystywały Li-S ze względu na niską wagę i dobrą wydajność w niskich temperaturach (baterie kosmiczne często pracują w zimnie). Armia USA jest zainteresowana lżejszymi bateriami dla żołnierzy (aby zmniejszyć ciężar noszenia wielu kilogramów akumulatorów litowo-jonowych) – bateria siarkowa mogłaby znacząco odciążyć ten ładunek. Dodatkowo, ponieważ baterie siarkowe nie zawierają związków uwalniających tlen (w przeciwieństwie do Li-ion, które mogą uwalniać O₂ podczas niekontrolowanego wzrostu temperatury), mogą być bezpieczniejsze w zamkniętych środowiskach, takich jak okręty podwodne czy statki kosmiczne. Aluminium-powietrze mogłoby służyć jako podwodne źródło zasilania dla bezzałogowych okrętów podwodnych o długiej wytrzymałości, gdzie uzupełnianie aluminium jest wykonalne. Sektor obronny często działa jako wczesny użytkownik najnowocześniejszych technologii, które później trafiają do szerszego zastosowania, więc ich inwestycje w technologie baterii aluminiowych i siarkowych mogą przyspieszyć rozwój. W rzeczywistości, początkowe zaangażowanie firmy Lyten w latach 2024–25 na rynkach kosmicznym, dronów i obronnym sugeruje, że kontrakty obronne pomagają udowodnić technologię lyten.com przed szerszym zastosowaniem konsumenckim.

We wszystkich tych zastosowaniach nadrzędnym efektem jest umożliwienie transformacji energetycznej w kierunku czystej energii szybszej i na większą skalę. Dzięki znacznemu obniżeniu kosztów baterii i uwolnieniu nas od ograniczeń łańcucha dostaw litowo-jonowych, baterie aluminiowe i siarkowe mogą sprawić, że pojazdy elektryczne staną się dostępne dla większej liczby osób (kluczowe dla dekarbonizacji transportu), uczynić energię odnawialną bardziej niezawodną i powszechną (kluczowe dla dekarbonizacji energetyki), a nawet stworzyć nowe możliwości, takie jak loty elektryczne. Niosą one również korzyści środowiskowe w użytkowaniu: np. zastąpienie awaryjnych generatorów diesla bateriami aluminium-powietrze lub sodowo-siarkowymi ogranicza lokalne zanieczyszczenie powietrza i emisję CO₂. Jeśli technologia spełni swoje obietnice, świat może zobaczyć tańsze samochody elektryczne, bardziej odporne czyste sieci energetyczne i ograniczenie wydobycia rzadkich metali – pozytywna pętla sprzężenia zwrotnego zarówno dla gospodarki, jak i środowiska.

Implikacje ekonomiczne i środowiskowe

Z ekonomicznego punktu widzenia, baterie aluminiowe i siarkowe mogą być przełomowe w najlepszy możliwy sposób: poprzez obniżenie kosztów magazynowania energii i dywersyfikację łańcucha dostaw. Bateria stanowi znaczną część kosztu pojazdu elektrycznego lub systemu energii odnawialnej, więc tańsze baterie oznaczają tańsze produkty i szybszą adopcję. Analitycy zauważyli, że materiały takie jak aluminium i siarka kosztują ułamek ceny litu, niklu czy kobaltu. Na przykład, według jednego szacunku, koszt materiałów ogniw aluminiowo-siarkowych to tylko około 15% kosztu równoważnego ogniwa litowo-jonowego news.mit.edu. Jeśli te oszczędności przełożą się na produkcję, możemy zobaczyć ceny baterii (za kWh) spadające znacznie poniżej obecnej krzywej uczenia się dla ogniw litowo-jonowych. Tanie magazynowanie mogłoby wtedy napędzać wzrost gospodarczy poprzez umożliwienie nowych modeli biznesowych (jak więcej farm fotowoltaicznych, projekty magazynowania społecznościowego itp.) oraz poprzez obniżenie kosztów energii dla konsumentów (wyobraź sobie ładowanie domowej baterii każdego popołudnia energią słoneczną i nigdy niepłacenie za szczytowe stawki sieciowe).

Jest też aspekt geopolityczny: Produkcja ogniw litowo-jonowych jest dziś silnie skoncentrowana (Chiny dominują w produkcji ogniw, a takie kraje jak DRC dostarczają kluczowe minerały). Aluminium natomiast jest wytapiane na całym świecie (a recykling zapewnia również lokalne źródło), a siarka jest powszechna. Wiele krajów, które nie mają zasobów litu, ma rozwinięty przemysł aluminiowy (np. Indie, jak widzieliśmy w przypadku IOC Phinergy). Tak więc baterie oparte na aluminium mogłyby pozwolić większej liczbie państw na budowę krajowego przemysłu bateryjnego bez polegania na imporcie litu czy kobaltu. Taka dywersyfikacja mogłaby zmniejszyć globalne ryzyko w łańcuchu dostaw i uczynić transformację w kierunku elektromobilności i energii odnawialnej bardziej odporną na niedobory lub niestabilność polityczną. W Nevadzie planowana fabryka Lyten jest tego przykładem – wykorzystanie siarki pochodzącej z USA i montaż baterii na miejscu lyten.com wpisuje się w politykę przenoszenia produkcji baterii do kraju i tworzenia lokalnych miejsc pracy (przewidują 1000 miejsc pracy przy pełnej skali w tej jednej fabryce lyten.com).

Po stronie środowiskowej, te baterie oferują wiele zalet:

Niższy ślad węglowy: Produkcja baterii jest energochłonna, ale baterie siarkowe i aluminiowe można wytwarzać przy użyciu mniej egzotycznych procesów. Rafinacja kobaltu i niklu jest szczególnie emisyjna. Eliminując je, producenci mogą obniżyć emisję CO₂ na kWh baterii. Theion deklarował 2/3 redukcji śladu węglowego dla swoich baterii siarkowych w porównaniu do litowo-jonowych reuters.com. Ponadto siarka może być pozyskiwana jako produkt odpadowy (praktycznie zerowy dodatkowy koszt węglowy jej uzyskania), a recykling aluminium zużywa tylko około 5% energii potrzebnej do produkcji pierwotnej – więc użycie aluminium z recyklingu w bateriach znacznie obniżyłoby ich energię wbudowaną.
Recykling i koniec życia produktu: Aluminium jest już jednym z najczęściej poddawanych recyklingowi materiałów (pomyśl o puszkach aluminiowych). Istnieje infrastruktura umożliwiająca przetapianie złomu aluminiowego i ponowne jego wykorzystanie. Jeśli baterie aluminiowo-metalowe staną się powszechne, można sobie wyobrazić, że zużyte anody aluminiowe będą rutynowo zbierane i poddawane recyklingowi z wysoką wydajnością – powstanie gospodarka o obiegu zamkniętym dla tego metalu bateryjnego. Siarka, w kontekście baterii, może być trudniejsza do bezpośredniego odzysku z ogniw (szczególnie jeśli jest związana w związkach chemicznych), ale ponieważ jest tania i nietoksyczna, nawet jeśli trafi na wysypisko, nie stanowi tak dużego zagrożenia dla środowiska jak np. ołów czy kadm w starszych bateriach. Naukowcy mogą znaleźć sposoby na odzyskiwanie siarki lub przekształcanie odpadowej siarki z baterii w użyteczne substancje chemiczne (siarka jest na przykład wykorzystywana w nawozach). Brak metali ciężkich w tych bateriach oznacza mniej toksycznych elektroodpadów w przypadku ich niewłaściwej utylizacji, a w idealnym przypadku łatwiejszą obsługę w zakładach recyklingu.
Zmniejszony wpływ wydobycia: Wydobycie litu, kobaltu i niklu ma znaczący wpływ na środowisko i społeczeństwo – od zużycia wody przy ekstrakcji solanek litu, przez niszczenie siedlisk i zanieczyszczenie wokół kopalni niklu, po problemy z pracą dzieci w niektórych kopalniach kobaltu. Ograniczając lub eliminując potrzebę stosowania tych materiałów, baterie aluminiowo-siarkowe mogą złagodzić te problemy. Aluminium nie jest całkowicie wolne od wpływu na środowisko (wydobycie boksytów i elektroliza aluminium mają swoje własne problemy, takie jak odpady czerwonego szlamu i wysokie zużycie energii elektrycznej), ale te procesy są dobrze regulowane w wielu krajach, a technologia się poprawia (np. anody obojętne do elektrolizy aluminium w celu ograniczenia emisji). Ponadto recykling aluminium znacznie zmniejsza zapotrzebowanie na nowe wydobycie. Wykorzystanie siarki polega głównie na zagospodarowaniu istniejącego produktu ubocznego – może to wręcz rozwiązać problem (ogromne zapasy siarki), zamiast go tworzyć.
Bezpieczeństwo i zdrowie: Pożary baterii były problemem w przypadku ogniw litowo-jonowych, ponieważ podczas spalania Li-ion wydzielają się toksyczne opary i mogą powstawać trudne do ugaszenia pożary (co pokazały niektóre incydenty z pojazdami elektrycznymi). Niepalne baterie oznaczają mniej pożarów, co jest korzyścią dla społeczeństwa. Oznacza to także bezpieczniejsze obchodzenie się z bateriami podczas transportu i w punktach złomowania. Na przykład zezłomowane pojazdy elektryczne z pakietami Li-ion stanowią zagrożenie pożarowe w przypadku uszkodzenia; pojazd elektryczny z pakietem aluminiowo-siarkowym może być znacznie bezpieczniejszy do demontażu. Podobnie w urządzeniach konsumenckich – mniej urządzeń wybuchających lub zapalających się (myśląc o słynnych pożarach baterii w telefonach) jest korzystne dla zdrowia publicznego i zaufania do technologii bateryjnych.
Czyste zasilanie awaryjne: W miejscach obecnie polegających na generatorach diesla do zasilania awaryjnego lub zdalnego (wyspy, schroniska awaryjne, wieże telekomunikacyjne), zastąpienie ich bateriami aluminiowo-powietrznymi lub sodowo-siarkowymi eliminuje spalanie oleju napędowego, co oznacza brak emisji gazów cieplarnianych, brak zanieczyszczenia pyłami i brak hałasu. To bezpośrednia poprawa środowiskowa i jakości życia. Na przykład wieże telekomunikacyjne zasilane aluminium-powietrze w Indiach nie będą generować lokalnych emisji, podczas gdy generatory diesla przyczyniają się do zanieczyszczenia powietrza i emisji dwutlenku węgla.

Podsumowując, baterie aluminiowe i siarkowe mają potencjał, by zdemokratyzować magazynowanie energii – czyniąc je na tyle przystępnym cenowo i przyjaznym dla środowiska, że będziemy mogli wdrażać baterie wszędzie tam, gdzie są potrzebne, aby umożliwić czystą przyszłość energetyczną. Nie będą panaceum (prawdopodobnie będziemy korzystać z mieszanki różnych technologii bateryjnych), ale ich pojawienie się na rynku może obniżyć koszty i zmusić wszystkich producentów baterii do poprawy zrównoważonego rozwoju.

Oczywiście, sukces ekonomiczny tych baterii nie jest gwarantowany; muszą udowodnić, że można je produkować tanio i że działają niezawodnie na dużą skalę. Jednak ostatnie inwestycje i sukcesy prototypów są bardzo obiecujące. Jeśli się powiodą, korzyścią będzie nie tylko tańsze samochody elektryczne czy lepsze gadżety – to także realne zmniejszenie wpływu naszego zużycia baterii na środowisko oraz wsparcie globalnych wysiłków na rzecz dekarbonizacji.

Wnioski: Jasna przyszłość napędzana powszechnymi pierwiastkami

Baterie aluminiowe i siarkowe, niegdyś uważane za technologie z małymi szansami, szybko zbliżają się do komercyjnej rzeczywistości. Te baterie są przykładem przekonującej idei: wykorzystać proste, powszechnie dostępne składniki, by rozwiązać złożone problemy energetyczne. W ciągu ostatnich kilku lat postępy w chemii i nauce o materiałach znacznie przybliżyły realizację tej idei. Mamy już prototypowe ogniwa aluminiowo-siarkowe, które można szybko ładować w kilka minut i które wytrzymują tysiące cykli nature.com, baterie litowo-siarkowe osiągające gęstości energii, o których dekadę temu można było tylko marzyć reuters.com, a nawet systemy aluminiowo-powietrzne rozpoczynające realną pracę, dostarczając czystą energię evreporter.com.

Odejście od uzależnienia od rzadkich metali i drogich importów na rzecz baterii zbudowanych z „tanich jak barszcz” pierwiastków, takich jak Al i S, może przekształcić branżę baterii tak, jak krzem przekształcił przemysł elektroniczny – umożliwiając ogromną skalę i obniżenie kosztów. Jak żartował Sadoway, te nowe baterie mają „wszystko, o czym można by marzyć w baterii: tanie elektrody, dobre bezpieczeństwo, szybkie ładowanie, elastyczność i długą żywotność” news.stanford.edu. Nadal są pewne problemy do rozwiązania, ale kierunek jest jasny.

W nadchodzących latach możemy spodziewać się informacji o pilotażowych wdrożeniach (być może farma słoneczna w Kalifornii wykorzystująca ogniwa aluminiowo-siarkowe MIT lub dron zasilany pakietem Lyten Li-S ustanawiający rekordy wytrzymałości). Wraz ze wzrostem produkcji koszty powinny dalej spadać, a wszelkie pozostałe luki techniczne – czy to żywotność cykli, czy temperatura pracy – prawdopodobnie zostaną rozwiązane dzięki intensywnym badaniom prowadzonym obecnie na całym świecie.

Dla ogółu społeczeństwa wpływ może być odczuwalny w subtelny, ale istotny sposób: tańszy samochód elektryczny o większym zasięgu, smartfon, który pozostaje naładowany przez cały długi weekend, sąsiedztwo, które ma światło dzięki baterii, gdy burza wyłącza sieć – i świadomość, że wszystko to jest możliwe dzięki materiałom tak powszechnym jak folia aluminiowa i nawóz ogrodniczy (siarka). Światowy apetyt na baterie stale rośnie, a technologie aluminiowe i siarkowe zapewniają, że możemy go zaspokoić w sposób zrównoważony.

Jak stwierdził z optymizmem jeden z naukowców zaangażowanych w rozwój tych baterii, „Te wyniki pokazują … ogromny wpływ na rozwój [baterii]. Jesteśmy o krok bliżej, by zobaczyć tę technologię w naszym codziennym życiu.” anl.gov Rzeczywiście, przyszłość, w której nasze życie będzie zasilane przez aluminium i siarkę – dwa z najbardziej niepozornych pierwiastków Ziemi – jest już wyraźnie na horyzoncie. Rewolucja w magazynowaniu energii już trwa, a jej fundamentem są podstawy chemii, innowacyjne inżynieria oraz pilna potrzeba czystszej i tańszej energii w przyszłości.

Źródła: Informacje i cytaty zawarte w tym raporcie pochodzą z najnowszych wiarygodnych źródeł, w tym recenzowanych badań naukowych, komunikatów prasowych uniwersytetów, wiadomości branżowych oraz raportów Reutersa. Kluczowe odniesienia obejmują MIT News na temat baterii aluminiowo-siarkowej news.mit.edu, przełomowe osiągnięcia Argonne National Lab w dziedzinie litu-siarki anl.gov, relacje Reutersa dotyczące rozwoju Theion i Lyten reuters.com, lyten.com oraz wywiady z liderami branży (np. CEO Phinergy o zaletach aluminium-powietrze evreporter.com). Te i inne cytaty w całym tekście dostarczają szczegółowych dowodów potwierdzających przedstawione tezy.